[go: up one dir, main page]

RU2828154C1 - Breathing pattern monitoring device (embodiments), method of operating breathing pattern monitoring device (embodiments), wearable device including breathing pattern monitoring device - Google Patents

Breathing pattern monitoring device (embodiments), method of operating breathing pattern monitoring device (embodiments), wearable device including breathing pattern monitoring device Download PDF

Info

Publication number
RU2828154C1
RU2828154C1 RU2023125468A RU2023125468A RU2828154C1 RU 2828154 C1 RU2828154 C1 RU 2828154C1 RU 2023125468 A RU2023125468 A RU 2023125468A RU 2023125468 A RU2023125468 A RU 2023125468A RU 2828154 C1 RU2828154 C1 RU 2828154C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
breathing
user
parameters
breathing pattern
respiratory
Prior art date
Application number
RU2023125468A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Михайлович Семенов
Владислав Валерьевич Лычагов
Елена Константиновна Волкова
Дмитрий Игоревич Чернаков
Ёнгхён КИМ
Вонсок ЛИ
Original Assignee
Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Filing date
Publication date
Application filed by Самсунг Электроникс Ко., Лтд. filed Critical Самсунг Электроникс Ко., Лтд.
Application granted granted Critical
Publication of RU2828154C1 publication Critical patent/RU2828154C1/en

Links

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: group of inventions relates to medicine, namely to methods for controlling breathing patterns and wearable devices for realizing said methods. Personal data of the user are entered into the memory unit. User PPG signal is received from photoplethysmographic sensor. Data is received from the sensor of the inertial measuring unit IMU. Respiratory signal and heart rate (HR) signal are separated from PPG signal in separation unit. Type of physical activity of the user is recognized by the data from the IMU sensor and the data of the heart rate signal in the unit for recognizing the type of physical activity. Actual breathing pattern is separated from the respiratory signal and parameters of the actual breathing pattern in the classification unit. Parameters of the actual breathing pattern are compared in the comparison unit with the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity. Deviations of the parameters of the actual breathing pattern of the user from the parameters of the optimal breathing pattern from the database are detected in the comparison unit. Using the unit for issuing recommendations to the user on the breathing technique based on the detected deviations of the parameters of the actual breathing pattern of the user from the parameters of the optimal breathing pattern from the database.
EFFECT: provides for independent control of breathing technique by users and/or development of correct respiratory habits based on monitoring of their breathing by means of portable devices.
13 cl, 7 dwg

Description

Область техникиField of technology

Настоящее изобретение относится к контролю за дыханием человека, а именно к контролю паттернов дыхания с помощью носимого устройства.The present invention relates to monitoring human breathing, namely to monitoring breathing patterns using a wearable device.

Описание предшествующего уровня техникиDescription of the Prior Art

В настоящее время для контроля за здоровьем человека широко используются смарт-устройства, носимые на теле пользователя, такие как смарт-часы, фитнес-трекеры, наушники и т.п., а также персональные медицинские устройства. На основе информации, получаемой с помощью датчиков, расположенных в таких устройствах, пользователь или лечащий врач получает информацию о здоровье и рекомендации по улучшению самочувствия.Currently, smart devices worn on the user's body, such as smart watches, fitness trackers, headphones, etc., as well as personal medical devices, are widely used to monitor human health. Based on the information received from sensors located in such devices, the user or the attending physician receives health information and recommendations for improving well-being.

Среди всех биофизических процессов человека дыхание является уникальным, поскольку наряду с чисто биохимической и инстинктивной природой дыхания человек может сознательно управлять процессом дыхания. Большое количество научных исследований указывает на то, что качество повседневной деятельности (например, спорт, медитация, отдых, ходьба и т.д.) может быть значительно улучшено за счет сознательного контроля дыхания и управления им. Кроме того, сознательные дыхательные практики могут улучшать мыслительную деятельность, производить успокаивающее действие на человека, находящегося в стрессе, улучшать качество сна, а также повышать выносливость организма. То есть, непрерывное отслеживание дыхания как в бодрствующем состоянии, так и во сне может помочь пользователю выявить и сознательно исправить влияние критических факторов на состояние пользователя.Among all human biophysical processes, breathing is unique because, in addition to the purely biochemical and instinctive nature of breathing, a person can consciously control the breathing process. A large number of scientific studies indicate that the quality of everyday activities (e.g., sports, meditation, rest, walking, etc.) can be significantly improved by consciously monitoring and managing breathing. In addition, conscious breathing practices can improve mental activity, have a calming effect on a person under stress, improve the quality of sleep, and increase the body's endurance. That is, continuous monitoring of breathing both in the waking state and in sleep can help the user identify and consciously correct the influence of critical factors on the user's condition.

Паттерны дыхания отражают формирование механизмов адаптации организма в процессе физической активности. Для высокой результативности занятий спортом важен оптимум работы системы внешнего дыхания [1, 2, 3]. Один цикл чередования вдоха и выдоха составляет дыхательный акт. Обычно вдох несколько короче выдоха, у человека их соотношение примерно 1:3. Организм избирает такой паттерн дыхания, при котором требуемый уровень альвеолярной вентиляции достигается с наименьшей затратой энергии на работу дыхательных мышц. Соблюдение данного условия в совокупности с соблюдение баланса вдыхаемого и выдыхаемого воздуха обеспечивает оптимальный паттерн дыхания - оптимальное соотношение компонентов дыхательного акта (длительность фаз, глубина дыхания, динамика давления и потоков в воздухоносных путях). Нормальный объем воздуха, вдыхаемый за один вдох, составляет 500 мл, а в состоянии покоя - около 5-8 литров воздуха в минуту [4, 5].Breathing patterns reflect the formation of the body's adaptation mechanisms during physical activity. For high performance in sports, optimal functioning of the external respiratory system is important [1, 2, 3]. One cycle of alternating inhalation and exhalation constitutes the respiratory act. Usually, inhalation is somewhat shorter than exhalation; in humans, their ratio is approximately 1:3. The body selects a breathing pattern in which the required level of alveolar ventilation is achieved with the least expenditure of energy on the work of the respiratory muscles. Compliance with this condition, together with maintaining the balance of inhaled and exhaled air, ensures an optimal breathing pattern - an optimal ratio of the components of the respiratory act (duration of phases, depth of breathing, dynamics of pressure and flows in the airways). The normal volume of air inhaled in one breath is 500 ml, and at rest - about 5-8 liters of air per minute [4, 5].

На фиг. 1 показаны спирограммы патологических типов дыхания и нормального дыхания. Нарушение оптимального паттерна и ритма дыхания может отражать патологический процесс в организме, накладывая свой отпечаток на процессы регуляции дыхания. Когда оптимальный паттерн дыхания нарушен, дыхание становится поверхностным и в основном осуществляется за счет мышц шеи. Существует несколько типов патологического дыхания, как показано на фиг. 1. К самым распространенным патологиям дыхания относят те, что связаны с нарушением равновесия между возбуждением и торможением в центральной нервной системе. Патологическое (периодическое) дыхание - внешнее дыхание, которое характеризуется групповым ритмом, нередко чередующимся с остановками (периоды дыхания чередуются с периодами апноэ) или со вставочными периодическими вдохами.Fig. 1 shows spirograms of pathological types of breathing and normal breathing. Violation of the optimal pattern and rhythm of breathing can reflect a pathological process in the body, leaving its mark on the processes of breathing regulation. When the optimal pattern of breathing is disrupted, breathing becomes shallow and is mainly carried out by the neck muscles. There are several types of pathological breathing, as shown in Fig. 1. The most common pathologies of breathing include those associated with a violation of the balance between excitation and inhibition in the central nervous system. Pathological (periodic) breathing is external breathing, which is characterized by a group rhythm, often alternating with pauses (periods of breathing alternate with periods of apnea) or with intercalated periodic inhalations.

Примерами патологий дыхания являются следующие.Examples of respiratory pathologies are the following.

Брадипноэ - редкое дыхание, которое возникает при поражении и угнетении дыхательного центра на фоне гипоксии, отека, ишемии и воздействия наркотических веществ. При сужении крупных воздухоносных путей отмечается редкое и глубокое дыхание - стенотическое. Повышение артериального давления вызывает рефлекторное снижение частоты дыхательных движений.Bradypnea is a rare breathing that occurs when the respiratory center is damaged and depressed due to hypoxia, edema, ischemia, and the effects of narcotic substances. When large airways are narrowed, rare and deep breathing is observed - stenotic. An increase in blood pressure causes a reflex decrease in the frequency of respiratory movements.

Тахипноэ - частое поверхностное дыхание. Возникает вследствие выраженной стимуляции дыхательного центра при гиперкапнии, гипоксемии. Этот вид дыхания наблюдается при лихорадке, пневмониях, застое в легких, ателектазе и т.п.Tachypnea is frequent shallow breathing. It occurs due to pronounced stimulation of the respiratory center during hypercapnia, hypoxemia. This type of breathing is observed during fever, pneumonia, pulmonary congestion, atelectasis, etc.

Гиперпноэ - глубокое и частое дыхание, отмечается при мышечной работе, гиперкапнии, эмоциональном напряжении, тиреотоксикозе, анемии, ацидозе, снижении содержания кислорода во вдыхаемом воздухе.Hyperpnea is deep and frequent breathing, observed during muscular work, hypercapnia, emotional stress, thyrotoxicosis, anemia, acidosis, and decreased oxygen content in the inhaled air.

Апноэ - отсутствие дыхательных движений наблюдается при гипокапнии, снижении возбудимости дыхательного центра вследствие поражения головного мозга, экзо- и эндоинтоксикаций, действия наркотических веществ.Apnea - the absence of respiratory movements is observed with hypocapnia, decreased excitability of the respiratory center due to damage to the brain, exo- and endointoxication, and the effects of narcotic substances.

Дыхание Чейна-Стокса характеризуется чередованием групп дыхательных движений с нарастающей амплитудой и периодов апноэ (остановка дыхания). Следует отметить, что дыхание Чейна-Стокса может встречаться не только в условиях патологии, но и в норме: у здоровых людей во сне, у недоношенных детей с незрелой системой регуляции дыхания, в старческом возрасте (когда имеется повышение порога возбудимости дыхательного центра).Cheyne-Stokes breathing is characterized by alternating groups of respiratory movements with increasing amplitude and periods of apnea (breathing arrest). It should be noted that Cheyne-Stokes breathing can occur not only in pathological conditions, but also in the norm: in healthy people during sleep, in premature babies with an immature respiratory regulation system, in old age (when there is an increase in the threshold of excitability of the respiratory center).

Дыхание Куссмауля - большое, шумное, глубокое дыхание (“дыхание загнанного зверя”) характеризуется отдельными судорожными сокращениями основной и вспомогательной дыхательной мускулатуры. Этот тип дыхания свидетельствует о глубокой гипоксии головного мозга. Оно характерно для уремической и диабетической комы и терминальных состояний другого генеза.Kussmaul breathing is a large, noisy, deep breathing ("breathing of a cornered animal") characterized by separate convulsive contractions of the main and accessory respiratory muscles. This type of breathing indicates deep hypoxia of the brain. It is characteristic of uremic and diabetic coma and terminal conditions of other genesis.

Дыхание Биота характеризуется чередованием периодов апноэ с группами дыхательных движений равной амплитуды.Biot's respiration is characterized by alternating periods of apnea with groups of respiratory movements of equal amplitude.

Атактическое дыхание - неравномерное хаотическое, нерегулярное дыхание. Наблюдается при сохранении дыхательных нейронов продолговатого мозга, но при нарушении связи с дыхательными нейронами варолиева моста.Atactic breathing is uneven, chaotic, irregular breathing. It is observed when the respiratory neurons of the medulla oblongata are preserved, but when the connection with the respiratory neurons of the pons is disrupted.

Общеизвестно, что паттерны дыхания можно измерять, классифицировать и количественно оценивать. При условии, что контроль над паттернами дыхания осуществляется круглосуточно, возможно контролировать состояние пользователя и улучшать его физическое состояние, посредством индивидуальных рекомендаций, связанных с дыханием. Из уровня техники известны устройства, используемыми для определения оптимальных паттернов дыхания, такие как термисторы, импедансная пневмография, спирометр [6, 7]. Однако данные методы приносят дискомфорт пациенту во время измерения, поэтому предлагаемый способ определения оптимального паттерна дыхания с помощью фотоплетизмографии является предпочтительным [5, 8].It is well known that breathing patterns can be measured, classified and quantified. Provided that breathing patterns are monitored 24 hours a day, it is possible to monitor the user's condition and improve their physical condition through individual breathing recommendations. The prior art includes devices used to determine optimal breathing patterns, such as thermistors, impedance pneumography, and spirometers [6, 7]. However, these methods cause discomfort to the patient during measurement, so the proposed method for determining the optimal breathing pattern using photoplethysmography is preferable [5, 8].

В плане физиологии контроль за паттернами дыхания помог бы снизить риски ухудшения физического состояния человека, например, работы сердечно-сосудистой системы, головного мозга, ощущения хронических болей и т.п. При долгосрочном мониторинге паттернов дыхания пользователю помогли бы улучшить здоровье рекомендации, исключающие определенные упражнения, а также помогли бы рекомендуемые индивидуальные упражнения, помогающие улучшить качество дыхания, также помогли бы предупреждения пользователя об опасности для организма, связанной с неправильным дыханием, например, во время сна.In terms of physiology, monitoring breathing patterns would help reduce the risks of deterioration of a person's physical condition, such as the functioning of the cardiovascular system, the brain, the sensation of chronic pain, etc. With long-term monitoring of breathing patterns, recommendations excluding certain exercises would help the user improve his health, as well as recommended individual exercises that help improve the quality of breathing, and warnings to the user about the danger to the body associated with improper breathing, for example, during sleep, would also help.

В ментальном плане длительный контроль за паттернами дыхания помог бы бороться со стрессами посредством рекомендаций специальных техник дыхания или упражнений во время стресса, обнаруженного при мониторинге.Mentally, long-term monitoring of breathing patterns would help combat stress by recommending specific breathing techniques or exercises during stress detected by monitoring.

При ухудшении качества дыхания под действием окружающей среды, в которой находится пользователь, возможно давать индивидуальные рекомендации, например, как минимизировать риски для здоровья в той или иной неблагоприятной обстановке окружающей среды.If the quality of breathing deteriorates due to the environment in which the user is located, it is possible to give individual recommendations, for example, how to minimize health risks in a particular unfavorable environmental situation.

Непрерывный контроль за качеством дыхания во время занятий спортом позволил бы давать рекомендации по дыхательным практикам, подходящим для выполнения того или иного физического упражнения.Continuous monitoring of breathing quality during exercise would allow us to provide recommendations on breathing practices suitable for performing a particular physical exercise.

В настоящее время известны способы и устройства для контроля за паттернами дыхания на любом этапе дыхательного процесса, однако известные устройства не являются портативными носимыми устройствами и не способны контролировать дыхание активного и практически здорового человека в течение длительного времени. В известных устройствах из сигнала извлекается только частота дыхания.Currently, methods and devices are known for monitoring breathing patterns at any stage of the breathing process, but the known devices are not portable wearable devices and are not capable of monitoring the breathing of an active and practically healthy person for a long time. In the known devices, only the breathing rate is extracted from the signal.

Физиологическое состояние и эмоциональное состояние человека, а также интенсивность деятельности определяют пределы, в которых человек может сознательно или бессознательно выбирать актуальную модель дыхания. Без контроля со стороны сознания человек выбирает паттерн «по умолчанию», который определяется принципом «минимального усилия» при текущих потребностях метаболизма. Однако, паттерн «по умолчанию» может быть не оптимальным для определенного вида деятельности человека, например, в случае занятий спортом производительность и польза от занятий может быть значительно улучшена с помощью сознательного контроля за дыханием.The physiological and emotional state of a person, as well as the intensity of the activity, determine the limits within which a person can consciously or unconsciously choose the actual breathing pattern. Without conscious control, a person chooses a “default” pattern, which is determined by the principle of “minimum effort” for the current metabolic needs. However, the “default” pattern may not be optimal for a particular type of human activity, for example, in the case of sports, the performance and benefit from the exercise can be significantly improved by conscious control of breathing.

В статье «Breath Tools: A Synthesis of Evidence-Based Breathing Strategies to Enhance Human Running», Front. Physiol., 17 March 2022, Sec. Exercise Physiology, Volume 13-2022, https://doi.org/10.3389/fphys.2022.813243, рассматриваются параметры паттерна дыхания как «дыхательного инструмента», который можно сознательно использовать для достижения спортивных целей. Описано, что диафрагмальное дыхание коррелирует с различными положительными преимуществами для здоровья, такими как снижение частоты сердечных сокращений в состоянии покоя, окислительный стресс после тренировки, усиление постурального контроля и чувствительность барорефлекса. Назальное дыхание во время упражнений может привести к снижению частоты дыхания (ЧД), уменьшению гипокапнии и увеличению выработки оксида азота. Оксид азота сам по себе полезен как сосудорасширяющее и бронхорасширяющее средство. Показано, что при назальном дыхании осуществляется снижение коэффициента дыхательного обмена, максимального объема кислорода (VO2), который может быть получен организмом, передан мышцам и использован для выработки энергии в аэробном режиме. Также при назальном дыхании происходит увеличение экономичности бега и времени до утомления. Дыхание с длительными выдохами (33% против 50% постоянного тока воздуха) вызывают улучшение вариабельности сердечного ритма, повышение эффективности вентиляции легких и VO2. Активные выдохи вызывают более полную экскурсию диафрагмы вверх, что снижает работу диафрагмы и способствует постуральной стабилизации.The article "Breath Tools: A Synthesis of Evidence-Based Breathing Strategies to Enhance Human Running", Front. Physiol., 17 March 2022, Sec. Exercise Physiology, Volume 13-2022, https://doi.org/10.3389/fphys.2022.813243, examines the parameters of breathing pattern as a "breathing tool" that can be consciously used to achieve athletic goals. Diaphragmatic breathing is reported to be correlated with various positive health benefits, such as reduced resting heart rate, post-exercise oxidative stress, increased postural control, and baroreflex sensitivity. Nasal breathing during exercise can result in decreased respiratory rate (RR), decreased hypocapnia, and increased nitric oxide production. Nitric oxide itself is beneficial as a vasodilator and bronchodilator. It has been shown that nasal breathing reduces the respiratory exchange ratio, the maximum volume of oxygen ( VO2 ) that can be received by the body, transferred to the muscles and used to generate energy in the aerobic mode. Nasal breathing also increases the efficiency of running and the time to fatigue. Breathing with long exhalations (33% versus 50% constant air flow) causes an improvement in heart rate variability, an increase in the efficiency of lung ventilation and VO2 . Active exhalations cause a more complete upward excursion of the diaphragm, which reduces the work of the diaphragm and promotes postural stabilization.

Из уровня техники известны система и способ извлечения паттернов дыхания из фотоплетизмограммы ((сигналов PPG) документ US 11389118 B2, дата публикации 19.07.2022). В документе раскрывается фильтр, с помощью которого из сигналов, полученных от носимого устройства пользователя, отфильтровывается сигнал PPG. Отфильтрованный сигнал PPG указывает на характер дыхания пользователя. В известном решении не осуществляется оценка паттернов дыхания, а также не раскрыта информация каким образом использовать паттерны дыхания, кроме того, отсутствует параметрическая оценка паттернов дыхания.A system and method for extracting breathing patterns from a photoplethysmogram (PPG signals) document US 11389118 B2, publication date 07/19/2022 are known from the prior art. The document discloses a filter by which the PPG signal is filtered from signals received from a user's wearable device. The filtered PPG signal indicates the user's breathing pattern. The known solution does not evaluate breathing patterns, nor does it disclose information on how to use breathing patterns; in addition, there is no parametric evaluation of breathing patterns.

Также из уровня техники известен носимый пульсоксиметр и монитор дыхания (документ US 20220175249 A1, дата публикации 09.06.2022). Известное устройство для мониторинга состояния пациента достаточно маленькое и легкое, чтобы его можно было удобно носить на пациенте, например, на запястье пациента или на шее. Устройство для наблюдения за пациентом может иметь инструмент для мониторинга, съемно зацепляемый с одноразовым основанием. База может иметь выходы для подключения к датчику акустического дыхания и датчику пульсоксиметра. Устройство для наблюдения за состоянием пациента может иметь разъемы с подвижными штырьками, соединяющие прибор монитора и одноразовую подставку, чтобы прибор монитора мог получать данные от датчиков, подключенных к одноразовой подставке. В известном решении не осуществляется оценка паттернов дыхания, а также пользователь не получает никаких рекомендация о том, как использовать паттерны дыхания.Also known from the prior art is a wearable pulse oximeter and breathing monitor (document US 20220175249 A1, publication date 06/09/2022). The known device for monitoring a patient's condition is small and light enough to be comfortably worn on a patient, for example, on the patient's wrist or around the neck. The patient monitoring device may have a monitoring tool that is removably attached to a disposable base. The base may have outputs for connecting to an acoustic breathing sensor and a pulse oximeter sensor. The patient monitoring device may have connectors with movable pins connecting the monitor device and the disposable stand so that the monitor device can receive data from sensors connected to the disposable stand. The known solution does not evaluate breathing patterns, and the user does not receive any recommendations on how to use breathing patterns.

Также из уровня техники известно плетизмографическое определение частоты дыхания (документ US 20190076028 A1, дата публикации 14.03.2019). Известное устройство представляет собой плетизмографический дыхательный процессор, который реагирует на респираторные эффекты, появляющиеся на кривой объем крови, и соответствующую обнаруженную форму волны интенсивности, измеренную оптическим датчиком на участке перфузируемой кровью периферической ткани, чтобы обеспечить измерение частоты дыхания. Процессор идентифицирует часть плетизмограммы, соответствующую физиологически приемлемой серии импульсов сигнала плетизмографа. Несколько процессоров выводят различные параметры в зависимости от конкретных респираторных эффектов на плетизмограмме. Логика принятия решения определяет частоту дыхания на основе по меньшей мере части этих параметров. Недостатки известного решения заключаются в том, что определяется только частота дыхания, отсутствует оценка паттерна дыхания, не даются индивидуальные рекомендации пользователю, касающиеся дыхания, известное устройство не является портативным.Also known from the prior art is a plethysmographic determination of the respiratory rate (document US 20190076028 A1, publication date 03/14/2019). The known device is a plethysmographic respiratory processor that responds to respiratory effects appearing on the blood volume curve and the corresponding detected intensity waveform measured by an optical sensor in a section of peripheral tissue perfused with blood to ensure the measurement of the respiratory rate. The processor identifies a portion of the plethysmogram corresponding to a physiologically acceptable series of pulses of the plethysmograph signal. Several processors output various parameters depending on the specific respiratory effects on the plethysmogram. The decision logic determines the respiratory rate based on at least some of these parameters. The disadvantages of the known solution are that only the respiratory rate is determined, there is no assessment of the breathing pattern, no individual recommendations are given to the user regarding breathing, and the known device is not portable.

Из уровня техники известно устройство анализа биологической информации (документ EP 3427653 B1, дата публикации 16.01.2019). В известном решении оценивают один паттерн дыхания из множества паттернов дыхания, оценивают его влияние на артериальное давление, обеспечивают обратную связь при изменении паттерна дыхания для изменения артериального давления. Недостатки известного решения заключаются в том, что обратная связь ограничивается только рекомендациями, касающимися характера дыхания для изменений артериального давления, решение применяется только в амбулаторных устройствах и не применяется в носимых портативных устройствах.A biological information analysis device is known from the prior art (document EP 3427653 B1, publication date 16.01.2019). In the known solution, one breathing pattern from a plurality of breathing patterns is evaluated, its effect on blood pressure is assessed, and feedback is provided when the breathing pattern changes to change blood pressure. The disadvantages of the known solution are that the feedback is limited only to recommendations regarding the breathing pattern for changes in blood pressure, the solution is only used in ambulatory devices and is not used in wearable portable devices.

На данный момент в уровне техники нет простых в использовании портативных устройств, которые могли бы помочь пользователям самостоятельно контролировать технику дыхания и/или вырабатывать правильные дыхательные привычки на основании мониторинга своего дыхания. Поэтому необходимо решение, которое опиралось бы на существующие датчики (ППГ, акселерометры и т.п.), использовалось бы в портативных носимых устройствах и позволяло количественно определять характер дыхания пользователя и давать четкие рекомендации по улучшению техники дыхания для той или иной деятельности.Currently, there are no easy-to-use portable devices in the state of the art that could help users independently control their breathing technique and/or develop correct breathing habits based on monitoring their breathing. Therefore, a solution is needed that would rely on existing sensors (PPG, accelerometers, etc.), would be used in portable wearable devices and would allow for quantitative determination of the user's breathing pattern and provide clear recommendations for improving breathing technique for a particular activity.

Сущность изобретенияThe essence of the invention

Предлагается система контроля паттернов дыхания с помощью носимого устройства.A system for monitoring breathing patterns using a wearable device is proposed.

Предлагается устройство контроля паттернов дыхания, содержащее:A breathing pattern monitoring device is proposed, which contains:

блок памяти, выполненный с возможностью хранения персональных данных пользователя, а также базы данных, хранящей оптимальные паттерны дыхания, рекомендуемые для каждого из видов физической активности на основании персональных данных пользователя,a memory unit designed to store the user's personal data, as well as a database storing optimal breathing patterns recommended for each type of physical activity based on the user's personal data,

фотоплетизмографический (PPG) сенсор, расположенный на теле пользователя, выполненный с возможностью получения сигнала PPG пользователя;a photoplethysmographic (PPG) sensor located on the user's body, configured to receive the user's PPG signal;

датчик инерционного измерительного блока (IMU), расположенный на теле пользователя;an inertial measurement unit (IMU) sensor located on the user's body;

блок разделения, выполненный с возможностью выделения из сигнала PPG:a separation unit configured to extract from the PPG signal:

- респираторного сигнала и- respiratory signal and

- сигнала частоты сердечных сокращений;- heart rate signal;

блок распознавания вида физической активности, выполненный с возможностью распознавания вида физической активности пользователя по данным датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений;a physical activity type recognition unit configured to recognize the user's physical activity type based on IMU sensor data and heart rate signal data;

блок классификации, выполненный с возможностью выделения фактического паттерна дыхания из респираторного сигнала и распознавания параметров дыхания фактического паттерна дыхания;a classification unit configured to extract an actual breathing pattern from a respiratory signal and to recognize breathing parameters of the actual breathing pattern;

блок сравнения, выполненный с возможностью сравнения параметров фактического паттерна дыхания из базы данных с параметрами оптимального паттерна дыхания, рекомендуемого для распознанной физической активности, извлеченного из базы данных, а также выполненный с возможностью выявления отклонения параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности;a comparison unit configured to compare the parameters of the actual breathing pattern from the database with the parameters of the optimal breathing pattern recommended for the recognized physical activity, extracted from the database, and also configured to detect a deviation of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity;

блок выдачи рекомендаций, выполненный с возможностью выдачи рекомендаций пользователю по технике дыхания на основании выявленных отклонений параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности.a recommendation issuing unit configured to issue recommendations to the user on breathing technique based on the detected deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity.

Причем блок разделения может содержать спектральные фильтры. Персональные данные могут содержать рост, вес, возраст, пол. Параметрами дыхания являются: объем вдыхаемого воздуха, скорость вдоха, время выдоха, объем выдыхаемого воздуха, частота дыхания, время между выдохом и последующим вдохом, длительность цикла дыхания, глубина дыхания, длительность задержки дыхания. Рекомендации могут отображаться на экране носимого устройства пользователя.Moreover, the separation block may contain spectral filters. Personal data may include height, weight, age, gender. Breathing parameters are: volume of inhaled air, inhalation rate, exhalation time, volume of exhaled air, respiratory rate, time between exhalation and subsequent inhalation, duration of the breathing cycle, depth of breathing, duration of breath holding. Recommendations may be displayed on the screen of the user's wearable device.

Предлагается способ контроля паттернов дыхания посредством предлагаемого устройства контроля паттернов дыхания, содержащий этапы, на которых:A method for monitoring breathing patterns using the proposed breathing pattern monitoring device is proposed, comprising the steps of:

вносят персональные данные пользователя в блок памяти;enter the user's personal data into the memory block;

получают сигнал PPG (фотоплетизмограмму) пользователя от фотоплетизмографического (PPG) сенсора;receive the user's PPG (photoplethysmogram) signal from the photoplethysmographic (PPG) sensor;

получают данные от датчика инерционного измерительного блока (IMU);receive data from the inertial measurement unit (IMU) sensor;

выделяют из сигнала PPG респираторный сигнал и сигнал частоты сердечных сокращений в блоке разделения;the respiratory signal and the heart rate signal are separated from the PPG signal in a separation unit;

распознают вид физической активности пользователя по данным от датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений в блоке распознавания вида физической активности;recognize the type of physical activity of the user based on data from the IMU sensor and heart rate signal data in the physical activity type recognition unit;

выделяют фактический паттерн дыхания из респираторного сигнала и параметры фактического паттерна дыхания в блоке классификации;extract the actual breathing pattern from the respiratory signal and the parameters of the actual breathing pattern in the classification block;

сравнивают в блоке сравнения параметры фактического паттерна дыхания с параметрами оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности;compare in the comparison block the parameters of the actual breathing pattern with the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity;

выявляют в блоке сравнения отклонения параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности;identify in the comparison block deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity;

выдают, посредством блока выдачи, рекомендации пользователю по технике дыхания на основании выявленных отклонений параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности.issue, via the issuing unit, recommendations to the user on breathing technique based on the detected deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity.

Причем выделение фактического паттерна дыхания осуществляется посредством выполнения следующих этапов:Moreover, the identification of the actual breathing pattern is carried out by performing the following steps:

для каждого параметра дыхания, выделенного из респираторного сигнала:for each respiratory parameter extracted from the respiratory signal:

а) произвольно задают длительность временного окна,a) arbitrarily set the duration of the time window,

б) рассчитывают среднее значение каждого параметра дыхания на протяжении заданного временного окна;b) calculate the average value each breathing parameter over a given time window;

в) рассчитывают стандартное отклонение от среднего значения ;c) calculate the standard deviation from the average value ;

г) сравнивают стандартное отклонение со средним значением;d) compare the standard deviation with an average value ;

если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то анализируют паттерн дыхания с заданной длительностью временного окна,If for at least 70% of the breathing parameters, the breathing pattern is analyzed with a given time window duration,

если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то уменьшают длительность временного окна и осуществляют этапы б-г,If for at least 70% of the breathing parameters, then reduce the duration of the time window and perform steps b-d,

если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то увеличивают длительность временного окна и осуществляют этапы б-г.If for at least 70% of the breathing parameters, then increase the duration of the time window and perform steps b-d.

После внесения персональных данных дополнительно возможно осуществлять калибровочное измерение для выявления патологии дыхания, при этом в случае выявления патологии дыхания пользователь получает рекомендацию обратиться к врачу для составления индивидуальной базы данных.After entering personal data, it is additionally possible to perform a calibration measurement to identify respiratory pathology, and if respiratory pathology is identified, the user receives a recommendation to contact a doctor to compile an individual database.

Также предлагается устройство контроля паттернов дыхания, содержащее:Also offered is a breathing pattern monitoring device containing:

блок памяти, выполненный с возможностью хранения персональных данных пользователя, и обученной нейронной сети;a memory unit designed to store the user's personal data and a trained neural network;

фотоплетизмографический (PPG) сенсор, расположенный на теле пользователя, выполненный с возможностью получения сигнала PPG пользователя;a photoplethysmographic (PPG) sensor located on the user's body, configured to receive the user's PPG signal;

датчик инерционного измерительного блока (IMU), расположенный на теле пользователя;an inertial measurement unit (IMU) sensor located on the user's body;

блок разделения, выполненный с возможностью выделения из сигнала PPG респираторного сигнала;a separation unit configured to separate a respiratory signal from the PPG signal;

обученная нейронная сеть, выполненная с возможностью на основании поданных на вход персональных данных пользователя, респираторного сигнала и сигнала от датчика IMU выдавать оптимальный респираторный сигнал;a trained neural network designed to generate an optimal respiratory signal based on the user's personal data, respiratory signal, and signal from the IMU sensor;

блок выдачи рекомендаций, выполненный с возможностью выдачи рекомендаций пользователю по технике дыхания на основании оптимального респираторного сигнала, выданного нейронной сетью.a recommendation issuing unit configured to issue recommendations to the user on breathing technique based on the optimal respiratory signal issued by the neural network.

Причем персональные данные включают в себя рост, вес, возраст, пол. Нейронная сеть может быть дополнительно выполнена с возможностью определять является ли пользователь практически здоровым человеком или имеет паттерн дыхания, относящийся к патологическому паттерну дыхания, если определено, что паттерн дыхания относится к патологическому паттерну дыхания, блок выдачи выдает рекомендацию обратится к врачу для составления индивидуальной базы оптимальных паттернов дыхания, соответствующих различным видам физической активности.Moreover, personal data includes height, weight, age, gender. The neural network can be additionally implemented with the ability to determine whether the user is a practically healthy person or has a breathing pattern related to a pathological breathing pattern; if it is determined that the breathing pattern relates to a pathological breathing pattern, the issuing unit issues a recommendation to consult a doctor to compile an individual database of optimal breathing patterns corresponding to various types of physical activity.

Также предлагается способ контроля паттернов дыхания посредством устройства контроля паттернов дыхания, содержащий этапы, на которых:A method for monitoring breathing patterns using a breathing pattern monitoring device is also provided, comprising the steps of:

вносят персональные данные пользователя в блок памяти;enter the user's personal data into the memory block;

получают сигнал PPG (фотоплетизмограмму) пользователя от фотоплетизмографического (PPG) сенсора;receive the user's PPG (photoplethysmogram) signal from the photoplethysmographic (PPG) sensor;

получают данные от датчика инерционного измерительного блока (IMU);receive data from the inertial measurement unit (IMU) sensor;

выделяют респираторный сигнал из сигнала PPG посредством блока разделения,extract the respiratory signal from the PPG signal by means of a separation unit,

подают на вход обученной нейронной сети персональные данные пользователя, упомянутый респираторный сигнал и сигнал от датчика IMU;the user's personal data, the mentioned respiratory signal and the signal from the IMU sensor are fed to the input of the trained neural network;

на основании входных данных получают на выходе нейронной сети оптимальный респираторный сигнал;based on the input data, an optimal respiratory signal is obtained at the output of the neural network;

выдают, посредством блока выдачи рекомендацию пользователю по технике дыхания на основании оптимального респираторного сигнала, выданного нейронной сетью.issue, via the issuing unit, a recommendation to the user on breathing technique based on the optimal respiratory signal issued by the neural network.

Предлагаются варианты носимых устройств, включающие в себя варианты устройств контроля паттернов дыхания, выполненных с возможностью осуществления соответствующих способ контроля паттернов дыхания.Variants of wearable devices are proposed, including variants of devices for monitoring breathing patterns, designed with the possibility of implementing the corresponding method for monitoring breathing patterns.

Краткое описание чертежейBrief description of the drawings

Вышеописанные и другие признаки и преимущества настоящего изобретения поясняются в последующем описании, иллюстрируемом чертежами, на которых представлено следующее:The above and other features and advantages of the present invention are explained in the following description, illustrated by the drawings, which show the following:

Фиг. 1 иллюстрирует примеры спирограмм патологических типов дыхания и спирограммы нормы.Fig. 1 illustrates examples of spirograms of pathological types of breathing and a normal spirogram.

Фиг. 2 иллюстрирует примеры фазовых портретов возможных паттернов дыхания и их допустимых значений в системе двух параметров дыхания: глубины и частоты дыхания, A) для здорового человека, B) для человека в слабом физическом состоянии, C) для человека в стрессе.Fig. 2 illustrates examples of phase portraits of possible breathing patterns and their acceptable values in a system of two breathing parameters: depth and frequency of breathing, A) for a healthy person, B) for a person in a weak physical condition, C) for a person under stress.

Фиг. 3 иллюстрирует респираторный сигнал, описывающий процесс дыхания, являющийся примером паттерна дыхания.Fig. 3 illustrates a respiratory signal describing the breathing process, which is an example of a breathing pattern.

Фиг. 4 иллюстрирует схему предлагаемого способа контроля паттернов дыхания.Fig. 4 illustrates a diagram of the proposed method for monitoring breathing patterns.

Фиг. 5 иллюстрирует два паттерна дыхания: (A), (C) - оптимальный паттерн дыхания, (B) - актуальный измеренный паттерн дыхания пользователя.Fig. 5 illustrates two breathing patterns: (A), (C) - optimal breathing pattern, (B) - the user's actual measured breathing pattern.

Фиг. 6 иллюстрирует этапы определения отклонения паттерна дыхания пользователя от оптимального паттерна дыхания из базы данных.Fig. 6 illustrates the steps for determining the deviation of the user's breathing pattern from the optimal breathing pattern from the database.

Фиг. 7 иллюстрирует экспериментальную часть.Fig. 7 illustrates the experimental part.

Подробное описание изобретенияDetailed description of the invention

Предлагаемое изобретение позволяет осуществлять контроль за качеством паттернов дыхания пользователя с помощью портативного носимого устройства, на основании чего делаются выводы о физическом состоянии пользователя в режиме реального времени и о технике дыхания, необходимой в текущий момент времени для улучшения физического состояния. Благодаря предлагаемому изобретению пользователь может с помощью носимого устройства контролировать технику дыхания для улучшения своего физического состояния в текущий момент времени.The proposed invention allows monitoring the quality of the user's breathing patterns using a portable wearable device, on the basis of which conclusions are made about the user's physical condition in real time and about the breathing technique required at the current moment in time to improve the physical condition. Thanks to the proposed invention, the user can use the wearable device to control the breathing technique to improve his physical condition at the current moment in time.

Сигнал PPG (фотоплетизмограмма) содержит осцилляции, соответствующие частоте сердечных сокращений, которые модулированы флуктуациями дыхательной активности, то есть содержит индуцированную дыханием модуляцию (респираторный сигнал). Респираторный сигнал возможно извлечь, измеряя сигналы PPG известными из уровня техники способами с помощью носимого устройства. Обычно респираторный сигнал рассматривается как паразитный сигнал и удаляется при обработке сигнала PPG.The PPG signal (photoplethysmogram) contains oscillations corresponding to the heart rate, which are modulated by fluctuations in respiratory activity, i.e. it contains a respiration-induced modulation (respiratory signal). The respiratory signal can be extracted by measuring PPG signals using known techniques using a wearable device. The respiratory signal is usually considered as a parasitic signal and is removed during PPG signal processing.

В настоящем изобретении респираторный сигнал отфильтровывается из сигнала PPG и используется наравне с сигналом частоты сердечных сокращений. Для этого первоначальный сигнал PPG фильтруется с помощью двух фильтров. Один фильтр (фильтр высоких частот) выделяет из первоначального сигнала PPG часть сигнала, соответствующую частоте сердечных сокращений. Основное отличие фильтра для выделения частоты сердечных сокращений заключается в полосе частот, которую требуется сохранить, для сердечных сокращений это примерно от 0.5 Гц до 1.5 Гц. Можно использовать полосно-пропускающий фильтр, настроенный на пропускание сигнала в указанной полосе, а также можно использовать фильтр более высоких частот. Второй фильтр выделяет из первоначального сигнала PPG часть сигнала, соответствующую, дыхательной модуляции (респираторный сигнал).In the present invention, the respiratory signal is filtered from the PPG signal and used equally with the heart rate signal. For this purpose, the original PPG signal is filtered using two filters. One filter (high-pass filter) extracts from the original PPG signal the part of the signal corresponding to the heart rate. The main difference of the filter for extracting the heart rate is in the frequency band that needs to be preserved, for heart contractions this is approximately from 0.5 Hz to 1.5 Hz. It is possible to use a band-pass filter configured to pass the signal in the specified band, and it is also possible to use a higher-pass filter. The second filter extracts from the original PPG signal the part of the signal corresponding to the respiratory modulation (respiratory signal).

Часть сигнала PPG, соответствующая частоте сердечных сокращений, отвечает за вид физической активности пользователя, а часть сигнала PPG, соответствующая дыхательной модуляции (респираторный сигнал), отвечает за форму сигнала дыхания, то есть зависимость амплитуды сигнала от времени. В отличие от решений, известных из уровня техники, предлагаемое изобретение предполагает выделение и сохранение всей полосы частот занимаемой респираторным сигналом и сохранением всех гармоник, присутствующих в респираторном сигнале. Необходимо заметить, что в респираторном сигнале, по аналогии со звуковым сигналом, можно выделить основную частоту и гармоники на частотах, кратных основной частоте. Именно в частоте гармоник, амплитуде и фазе, содержится информация о форме респираторного сигнала. Спектр респираторного сигнала может быть сложным и может содержать большое количество гармоник. Как было упомянуто выше для выделения спектра респираторного сигнала используется спектральный фильтр, причем амплитудная, частотная и фазовая характеристики фильтра выбираются таким образом, чтобы с минимальными потерями передать информацию (амплитуда, частота, фаза) о гармониках респираторного сигнала. Полоса пропускания такого фильтра шире полосы частот респираторного сигнала, а форма полосы пропускания фильтра не содержит значительных осцилляций в области нижней и верхней частот среза (осцилляций на краях полосы пропускания фильтра). Наличие таких осцилляций на краях полосы пропускания фильтра в АЧХ (амплитудная частотная характеристика) или ФЧХ (фазовая частотная характеристика) фильтра означает, что частоты сигнала, лежащие в области нижней и верхней частот среза фильтра, передаются с амплитудными, или фазовыми искажениями, что, в свою очередь, приводит к искажению респираторного сигнала после прохождения фильтра. Отсутствие осцилляций на краях полосы пропускания фильтра должно приводить к сохранению формы респираторного сигнала и позволяет извлечь гораздо больше информации о дыхании пользователя.The part of the PPG signal corresponding to the heart rate is responsible for the type of physical activity of the user, and the part of the PPG signal corresponding to the respiratory modulation (respiratory signal) is responsible for the shape of the respiratory signal, i.e. the dependence of the signal amplitude on time. Unlike the solutions known from the prior art, the proposed invention involves selecting and storing the entire frequency band occupied by the respiratory signal and storing all the harmonics present in the respiratory signal. It should be noted that in the respiratory signal, by analogy with the sound signal, it is possible to select the main frequency and harmonics at frequencies multiple of the main frequency. It is the frequency of the harmonics, the amplitude and the phase that contain information about the shape of the respiratory signal. The spectrum of the respiratory signal can be complex and can contain a large number of harmonics. As mentioned above, a spectral filter is used to select the spectrum of the respiratory signal, wherein the amplitude, frequency and phase characteristics of the filter are selected in such a way as to transmit information (amplitude, frequency, phase) about the harmonics of the respiratory signal with minimal losses. The passband of such a filter is wider than the frequency band of the respiratory signal, and the shape of the filter passband does not contain significant oscillations in the region of the lower and upper cutoff frequencies (oscillations at the edges of the filter passband). The presence of such oscillations at the edges of the filter passband in the AFC (amplitude frequency response) or PFC (phase frequency response) of the filter means that the signal frequencies lying in the region of the lower and upper cutoff frequencies of the filter are transmitted with amplitude or phase distortions, which, in turn, leads to distortion of the respiratory signal after passing the filter. The absence of oscillations at the edges of the filter passband should lead to the preservation of the shape of the respiratory signal and allows extracting much more information about the user's breathing.

Под носимым устройством понимается любое компактное пользовательское устройство, например, смарт часы, кольцо, наушник, клипса и т.д., которое позволяет в течение продолжительного времени неинвазивно и без вмешательства пользователя вести запись фотоплетизмографического сигнала и передавать записанный сигнал или результат промежуточной обработки записанного сигнала на устройство-хост (например, смартфон) для последующей обработки, либо выполнять обработку самостоятельно с последующей выдачей результата анализа паттерна дыхания и рекомендаций по его коррекции пользователю.A wearable device is any compact user device, such as a smart watch, ring, earphone, clip, etc., that allows for a long period of time to non-invasively and without user intervention record a photoplethysmographic signal and transmit the recorded signal or the result of intermediate processing of the recorded signal to a host device (e.g. a smartphone) for subsequent processing, or perform the processing independently with subsequent issuance of the result of the breathing pattern analysis and recommendations for its correction to the user.

Под паттерном дыхания понимается набор параметров дыхания, выделяемых из респираторного сигнала за определенный промежуток времени (временное окно), сочетание которых единственно возможным образом характеризует особенности дыхательного процесса определенного пользователя в определенных условиях. В качестве параметров дыхания могут выступать (но не ограничиваться только этими параметрами): частота дыхания, глубина дыхания, скорость (время) вдоха, скорость (время) выдоха, объем вдыхаемого воздуха, объем выдыхаемого воздуха, время задержки дыхания, количество и периодичность задержек дыхания, среднее значение перечисленных параметров за определенный промежуток времени, отклонения перечисленных параметров от средних величин за определенный промежуток времени, и т.д. Паттерн дыхания определяется тем, как выглядят вдохи и выдохи, как они изменяются за определенный промежуток времени (временное окно). Временное окно представляет собой промежуток времени, за который длится один паттерн, и, соответственно, количество вдохов и выдохов в нем выбираются в зависимости от вариабельности параметров дыхания, как будет описано ниже. Также, в некоторых вариантах осуществления длительность временного окна может подстраиваться в процессе работы, если, например, паттерн дыхания изменяется слишком быстро, или слишком медленно.A breathing pattern is a set of breathing parameters extracted from a respiratory signal over a certain period of time (time window), the combination of which is the only possible way to characterize the features of the breathing process of a certain user under certain conditions. Breathing parameters may include (but are not limited to) the following: breathing rate, breathing depth, inhalation rate (time), exhalation rate (time), inhaled air volume, exhaled air volume, breath-holding time, number and frequency of breath-holds, the average value of the listed parameters over a certain period of time, deviations of the listed parameters from the average values over a certain period of time, etc. A breathing pattern is determined by how inhalations and exhalations look, how they change over a certain period of time (time window). The time window is the period of time during which one pattern lasts, and, accordingly, the number of inhalations and exhalations in it are selected depending on the variability of the breathing parameters, as will be described below. Also, in some embodiments, the duration of the time window may be adjusted during operation if, for example, the breathing pattern changes too quickly or too slowly.

Респираторный сигнал может оставаться стабильным в течение долгого времени (например, во время сна человека), то есть вариабельность параметров дыхания будет низкая, и каждый параметр дыхания будет достаточно стабильным на всем протяжении выбранного временного окна, то есть на всем протяжении фактического паттерна дыхания. В таких случаях можно выбрать фактический паттерн дыхания с большой длительностью временного окна. В ситуациях повышенной физической активности пользователя респираторный сигнал может быть настольно нестабильным, что параметры дыхания будут сильно изменяться даже за короткий промежуток времени, в этом случае из респираторного сигнала выделяется фактический паттерн дыхания с короткой длительностью временного окна. Поэтому длительность временного окна фактического паттерна дыхания подстраивается динамически по мере наблюдения за пользователем, то есть по мере наблюдения за параметрами дыхания с течением времени.The respiratory signal may remain stable over a long period of time (e.g., during human sleep), i.e., the variability of the respiratory parameters will be low, and each respiratory parameter will be fairly stable throughout the selected time window, i.e., throughout the actual breathing pattern. In such cases, the actual breathing pattern with a long time window duration can be selected. In situations of increased user physical activity, the respiratory signal may be so unstable that the respiratory parameters will vary greatly even over a short period of time, in which case the actual breathing pattern with a short time window duration is extracted from the respiratory signal. Therefore, the time window duration of the actual breathing pattern is adjusted dynamically as the user is monitored, i.e., as the breathing parameters are monitored over time.

Динамическая подстройка временного окна фактического паттерна дыхания осуществляется следующим образом. Сначала произвольным образом выбирается исходная длительность временного окна, например, 5 актов дыхания, то есть 5 вдохов-выдохов, соответствующих примерно 20 секундам. Для выделенного из респираторного сигнала участка с выбранной длительностью временного окна рассчитываются параметры дыхания, например, такие как указаны выше. Поскольку параметры дыхания можно посчитать отдельно для каждого акта дыхания (каждого вдоха-выдоха), на участке респираторного сигнала с выбранной длительностью временного окна можно посчитать среднее значение каждого параметра дыхания и стандартное отклонение (среднеквадратическое отклонение) каждого параметра дыхания от его среднего значения . Если для по меньшей мере 70% параметров дыхания оказывается меньше , то делается вывод о том, что вариабельность параметров дыхания в течение выбранной длительности временного окна низкая. Поэтому далее, исходя из выполненных расчетов и сравнений, длительность временного окна увеличивается, например, в два раза. Снова рассчитываются средние и отклонения для новой увеличенной длительности временного окна и осуществляется их сравнение. Описанная операция выполняется до тех пор, пока для более 70% параметров дыхания отклонение не станет равно . При этом длительность временного окна, когда выполнилось условие , и есть тот период времени, который соответствует одному паттерну дыхания, который описывается рассчитанными параметрами дыхания и их отклонениями (или дисперсией).Dynamic adjustment of the time window of the actual breathing pattern is performed as follows. First, the initial duration of the time window is arbitrarily selected, for example, 5 acts of breathing, i.e. 5 inhalations-exhalations, corresponding to approximately 20 seconds. For the section of the respiratory signal with the selected duration of the time window, the breathing parameters are calculated, for example, such as those indicated above. Since the breathing parameters can be calculated separately for each act of breathing (each inhalation-exhalation), the average value can be calculated on the section of the respiratory signal with the selected duration of the time window each breathing parameter and standard deviation (root mean square deviation) each breathing parameter from its average value . If for at least 70% of the breathing parameters it turns out to be less , then it is concluded that the variability of the breathing parameters during the selected duration of the time window is low. Therefore, further, based on the calculations and comparisons performed, the duration of the time window is increased, for example, by two times. The averages are calculated again and deviations for the new increased duration of the time window and their comparison is performed. The described operation is performed until the deviation for more than 70% of the breathing parameters will not become equal . In this case, the duration of the time window when the condition was met , and there is that period of time that corresponds to one breathing pattern, which is described by the calculated breathing parameters and their deviations (or dispersion).

Если уже на первом этапе, для временного окна исходной длительности, для по меньшей мере 70% параметров окажется больше , делается вывод о том, что вариабельность параметров дыхания при такой длительности временного окна высокая и необходимо уменьшить длительность временного окна. Длительность временного окна уменьшается, например, в два раза, снова рассчитываются и сравниваются средние и стандартные отклонения параметров дыхания для новой длительности временного окна. Повторяется описанная операция до тех пор, пока для более 70% параметров дыхания стандартное отклонение не станет равно среднему значению .If already at the first stage, for the time window of the original duration, for at least 70% of the parametersit will turn out to be more, it is concluded that the variability of breathing parameters with such a time window duration is high and it is necessary to reduce the duration of the time window. The duration of the time window is reduced, for example, by half, the averages are calculated and compared againand standard deviationsparameters of respiration for the new duration of the time window. The described operation is repeated until for more than 70% of the parameters of respiration the standard deviationwill not become equal to the average value .

Может возникнуть ситуация, когда длительность окна уменьшать уже нецелесообразно, но условие еще не выполнено, например, когда число вдохов-выдохов в окне равно пяти. В этом случае прекращается уменьшение длительности временного окна и фиксируются текущие значения и . Таким образом, получают набор параметров дыхания с высокой вариабельностью и соответствующий им паттерн дыхания.A situation may arise when it is no longer practical to reduce the window duration, but the condition not yet fulfilled, for example, when the number of breaths in the window is five. In this case, the reduction of the time window duration is stopped and the current values are fixed And . In this way, a set of breathing parameters with high variability and a corresponding breathing pattern are obtained.

Когда установилось равновесие в соответствии с условиями, описанными выше, текущий фактический паттерн дыхания рассматривается в выбранном временном окне. При этом возможна ситуация, когда определение текущего паттерна занимает слишком много времени, потому что условие не выполнено.When equilibrium was established according to the conditions described above, the current actual breathing pattern is considered in the selected time window. However, it is possible that the determination of the current pattern takes too much time because the condition not completed.

Рассмотрим, для примера, ситуацию, при которой вариабельность параметров дыхания остается низкой, , на протяжении долгого времени, при увеличении временного окна. И наоборот, ситуацию, при которой вариабельность параметров дыхания может быть высокой даже при самом коротком временном окне и сохраняться таковой на протяжении долгого времени. В обоих случаях пользователь может так и не дождаться оценки текущего паттерна дыхания и соответствующих рекомендаций. В этом случае устанавливается максимальный интервал времени, по истечении которого пользователь гарантированно получит оценку текущего паттерна дыхания, даже если не достигнуто условие . Такой интервал времени задается либо автоматически, либо пользователь может самостоятельно установить такой интервал, по своим предпочтениям, насколько часто он хочет получать уведомления об оптимальном дыхании, например, раз в сутки при повседневной деятельности, или раз в тридцать минут при активной физической нагрузке.Let us consider, for example, a situation in which the variability of respiratory parameters remains low, , over a long period of time, with an increase in the time window. And vice versa, a situation in which the variability of breathing parameters can be high even with the shortest time window and remain so for a long time. In both cases, the user may never receive an assessment of the current breathing pattern and the corresponding recommendations. In this case, a maximum time interval is set, after which the user is guaranteed to receive an assessment of the current breathing pattern, even if the condition is not met . This time interval is set either automatically, or the user can independently set such an interval, according to his preferences, how often he wants to receive notifications about optimal breathing, for example, once a day during everyday activities, or once every thirty minutes during active physical activity.

Рекомендации могут выдаваться как для одного фактического паттерна, так и для группы фактических паттернов. При этом, если человек испытывает активные физические нагрузки, то имеет смысл отслеживать каждый фактический паттерн, чтобы вовремя предоставить рекомендацию по корректировке в процессе нагрузки. Если человек занимается размеренным видом деятельности, не требующим активного вмешательства в реальном времени, можно собрать статистику, состоящую из большого количества фактических паттернов за сутки, за неделю и т.п. и предоставить сводную информацию. Самые точные рекомендации выдаются именно за длительный период времени и при наблюдении за группой фактических паттернов.Recommendations can be issued for one actual pattern or for a group of actual patterns. In this case, if a person experiences active physical activity, it makes sense to track each actual pattern in order to provide a recommendation for adjustment in time during the load. If a person is engaged in a measured type of activity that does not require active intervention in real time, it is possible to collect statistics consisting of a large number of actual patterns per day, per week, etc. and provide summary information. The most accurate recommendations are issued for a long period of time and when monitoring a group of actual patterns.

Для определения оптимального паттерна дыхания любого пользователя в результате машинного обучения нейронной сети заранее создается прогнозирующая модель, позволяющая определять оптимальный паттерн дыхания любого пользователя для определенного вида физической активности. Оптимальные паттерны дыхания для различных видов физической активности известны и рекомендуются медиками на основании исследований различных групп людей, исходя из физиологических потребностей организма при разных видах физической активности человека.To determine the optimal breathing pattern of any user, a predictive model is created in advance as a result of machine learning of the neural network, which allows determining the optimal breathing pattern of any user for a certain type of physical activity. Optimal breathing patterns for various types of physical activity are known and recommended by doctors based on studies of various groups of people, based on the physiological needs of the body for different types of human physical activity.

Для обучения нейронной сети компилируется обучающая база данных.To train the neural network, a training database is compiled.

Сбор обучающего набора данных осуществляют по разнообразной популяции испытуемых участников с широким диапазоном вариаций физиологических параметров испытуемых участников (рост, вес, возраст, пол и пр.) и при различных видах физической активности. База данных содержит все подгруппы, важные для исследования, а именно статистически почти здоровые испытуемые участники и испытуемые участники с наличием паталогических паттернов дыхания. Разделение участников на подгруппы производится в медицинском учреждении при помощи медицинских методов анализа паттерна дыхания, известных из уровня техники. В начале обследования снимают спирограмму с каждого из участников. Если на спирограмме сигнал паттерна дыхания участника имеет вид, соответствующий нормальному типу дыхания, как показано на фиг. 1, то данный участник включается в подгруппу статистически практически здоровых участников. Если на спирограмме сигнал паттерна дыхания участника имеет вид соответствующий варианту отличия от нормы (один из видов паттерна паталогического дыхания, как показано на фиг. 1), то данный участник включается в подгруппу участников с наличием паталогического дыхания.The training data set is collected from a diverse population of test participants with a wide range of variations in the physiological parameters of the test participants (height, weight, age, gender, etc.) and with different types of physical activity. The database contains all subgroups important for the study, namely statistically almost healthy test participants and test participants with pathological breathing patterns. The participants are divided into subgroups in a medical institution using medical methods of breathing pattern analysis known from the state of the art. At the beginning of the examination, a spirogram is taken from each of the participants. If the participant's breathing pattern signal on the spirogram has a form corresponding to the normal breathing type, as shown in Fig. 1, then this participant is included in the subgroup of statistically almost healthy participants. If the participant's breathing pattern signal on the spirogram has a form corresponding to a variant of deviation from the norm (one of the types of pathological breathing pattern, as shown in Fig. 1), then this participant is included in the subgroup of participants with pathological breathing.

После разделения участников на подгруппы, осуществляются сбор данных с каждого участника следующим образом:After dividing the participants into subgroups, data is collected from each participant as follows:

- Когда участник находится в состоянии покоя, с датчиков инерционного измерительного блока (IMU), и с фотолетизмографа, встроенных в носимое устройство, надетое на участника, снимают сигналы PPG и сигналы IMU. Из сигнала PPG при помощи методов обработки сигналов, извлекают респираторный сигнал. Сигнал IMU показывает отсутствие физической активности. Полученный респираторный сигнал будет соответствовать отсутствию физической активности. В набор обучающих данных включают персональные данные участника (например, пол, возраст, вес, рост) и соответствующие персональным данным данные полученного респираторного сигнала и данные сигнала IMU, как соответствующие отсутствию физической активности.- When the participant is in a resting state, PPG signals and IMU signals are read from the inertial measurement unit (IMU) sensors and from the photolethysmograph built into the wearable device worn by the participant. A respiratory signal is extracted from the PPG signal using signal processing methods. The IMU signal indicates the absence of physical activity. The obtained respiratory signal will correspond to the absence of physical activity. The training data set includes the participant's personal data (e.g., gender, age, weight, height) and the obtained respiratory signal data and IMU signal data corresponding to the personal data, as corresponding to the absence of physical activity.

- На основании персональных данных каждого участника определяют параметры оптимального паттерна дыхания для каждого вида физической активности, такие параметры известны из уровня техники. Известно, что оптимальный паттерн дыхания - тот, при котором требуемый уровень альвеолярной вентиляции достигается с наименьшей затратой энергии на работу дыхательных мышц при физической нагрузке в сочетании с объемом воздуха, вдыхаемого за один вдох 500 мл, а в состоянии покоя 5-8 литров воздуха в минуту. Отсюда можно рассчитать оптимальные параметры дыхания практически здорового человека.- Based on the personal data of each participant, the parameters of the optimal breathing pattern for each type of physical activity are determined; such parameters are known from the state of the art. It is known that the optimal breathing pattern is the one in which the required level of alveolar ventilation is achieved with the least energy expenditure on the work of the respiratory muscles during physical exertion in combination with the volume of air inhaled in one breath of 500 ml, and at rest 5-8 liters of air per minute. From here, the optimal breathing parameters of a practically healthy person can be calculated.

Перед выполнением физической активности определяют резервы дыхательной системы и, в конечном итоге, определяют коэффициент полезного действия дыхательной функции в целом, такие методики известны из уровня техники (например, Кучкин, С.Н. Резервы дыхательной системы (обзор и состояние проблемы) / C.Н. Кучкин // Резервы дыхательной системы. - Волгоград, 1999. - С. 7-51).Before performing physical activity, the reserves of the respiratory system are determined and, ultimately, the efficiency of the respiratory function as a whole is determined; such methods are known from the state of the art (for example, Kuchkin, S.N. Respiratory system reserves (review and state of the problem) / S.N. Kuchkin // Respiratory system reserves. - Volgograd, 1999. - P. 7-51).

Затем определяют состояние функции внешнего дыхания каждого участника методами спирографии и пневмотахографии. Анализируются такие показатели, как: жизненная емкость легких, резервный бьем вдоха, дыхательный объем и т.д. Анализ показателей, полученных при помощи спирографии и пневмотахографии, проводится в соответствии с установленными границами нормы и границами отклонения показателей внешнего дыхания, а также в соответствии с границами нормальных значений и отклонений от нормы основных показателей кривой поток-объем (в % от должной величины), такие показатели известны из уровня техники (см., например, Турина О.Н. Организация работы по исследованию функционального состояния легких методами спирографии и пневмотографии и применение этих методов в клинической практике: Метод. Указания / О.И. Турина и др. - Минск, 2002, 78 с.). Например, в норме кривая поток-объем имеет практически треугольную форму. Время достижения пиковой скорости достигается в первые 0,1 с, далее происходит плавное снижение потока. Продолжительность форсированного выдоха должна быть не менее 6 с у взрослых и не менее 3 с у детей.Then the state of the external respiration function of each participant is determined by spirography and pneumotachography. The following parameters are analyzed: vital capacity of the lungs, inspiratory reserve beat, tidal volume, etc. The analysis of the parameters obtained by spirography and pneumotachography is carried out in accordance with the established limits of the norm and the limits of deviation of the parameters of external respiration, as well as in accordance with the limits of normal values and deviations from the norm of the main parameters of the flow-volume curve (in % of the expected value); such parameters are known from the state of the art (see, for example, Turina O.N. Organization of work on studying the functional state of the lungs by spirography and pneumotography methods and application of these methods in clinical practice: Method. Instructions / O.I. Turina et al. - Minsk, 2002, 78 p.). For example, normally the flow-volume curve has an almost triangular shape. The time to reach the peak velocity is reached in the first 0.1 s, then there is a smooth decrease in flow. The duration of forced exhalation should be at least 6 seconds in adults and at least 3 seconds in children.

Когда участник осуществляет физическую активность, с датчиков инерционного измерительного блока (IMU), и с фотолетизмографа, встроенных в носимое устройство участника, снимают сигналы PPG и сигналы IMU. Одновременно осуществляют контроль за параметрами дыхания участника способами, известными из уровня техники (например, с помощью снятия спирограммы). До исследования медицинский работник инструктирует пользователя о том, как пользователь должен дышать оптимальным образом, и во время исследования медицинский работник контролирует показания приборов, осуществляющих контроль за параметрами дыхания участника, и инструктирует участника о том, как нужно изменить дыхание, чтобы показания соответствовали показаниям при оптимальном дыхании.When the participant performs physical activity, PPG signals and IMU signals are recorded from the inertial measurement unit (IMU) sensors and from the photolethysmograph built into the participant's wearable device. At the same time, the participant's breathing parameters are monitored using methods known from the prior art (e.g., by recording a spirogram). Before the study, the health care professional instructs the user on how the user should optimally breathe, and during the study, the health care professional monitors the readings of the devices monitoring the participant's breathing parameters and instructs the participant on how to change their breathing so that the readings correspond to the readings during optimal breathing.

Из сигнала PPG при помощи методов обработки сигналов, извлекают респираторный сигнал. Сигнал IMU показывает присутствие физической активности, вид физической активности известен. Полученный респираторный сигнал и сигнал IMU будут соответствовать физической активности, которую выполнял участник, дыша оптимальным образом. В набор обучающих данных включают персональные данные участника (например, пол, возраст, вес, рост), соответствующие данные респираторного сигнала, данные сигнала IMU, вид физической активности. То есть в этом случае респираторный сигнал будет соответствовать оптимальному паттерну дыхания участника, поскольку он дышал оптимально, что подтверждалось контролем за параметрами дыхания при выполнении физической активности.From the PPG signal, using signal processing methods, a respiratory signal is extracted. The IMU signal indicates the presence of physical activity, the type of physical activity is known. The obtained respiratory signal and IMU signal will correspond to the physical activity that the participant performed, breathing optimally. The training data set includes the participant's personal data (e.g., gender, age, weight, height), the corresponding respiratory signal data, IMU signal data, and the type of physical activity. That is, in this case, the respiratory signal will correspond to the optimal breathing pattern of the participant, since he breathed optimally, which was confirmed by monitoring the breathing parameters during the physical activity.

Необходимо заметить, что определение вида физической активности по данных от датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений известно из уровня техники, например из документов: Hnoohom N., Mekruksavanich S., Jitpattanakul A. « Physical Activity Recognition Based on Deep Learning Using Photoplethysmography and Wearable Inertial Sensors», Electronics 2023, 12(3), 693; https://doi.org/10.3390/electronics12030693; Biagetti, G.; Crippa, P.; Falaschetti, L.; Orcioni, S.; Turchetti, C. Human Activity Recognition Using Accelerometer and Photoplethysmographic Signals. In Proceedings of the Intelligent Decision Technologies 2017, Algarve, Portugal, 21-23 June 2017; Czarnowski, I., Howlett, R.J., Jain, L.C., Eds.; Springer International Publishing: Cham, Switzerland, 2018; pp. 53-62.3.Casson, A.J.; Vazquez Galvez, A.; Jarchi, D. Gyroscope vs. accelerometer measurements of motion from wrist PPG during physical exercise. ICT Express 2016, 2, 175-179. [Google Scholar] [CrossRef].It should be noted that the determination of the type of physical activity based on the IMU sensor data and heart rate signal data is known from the prior art, for example from the documents: Hnoohom N., Mekruksavanich S., Jitpattanakul A. "Physical Activity Recognition Based on Deep Learning Using Photoplethysmography and Wearable Inertial Sensors", Electronics 2023, 12(3), 693; https://doi.org/10.3390/electronics12030693; Biagetti, G.; Crippa, P.; Falaschetti, L.; Orcioni, S.; Turchetti, C. Human Activity Recognition Using Accelerometer and Photoplethysmographic Signals. In Proceedings of the Intelligent Decision Technologies 2017, Algarve, Portugal, 21-23 June 2017; Czarnowski, I., Howlett, R. J., Jain, L. C., Eds.; Springer International Publishing: Cham, Switzerland, 2018; pp. 53-62.3. Casson, A. J.; Vazquez Galvez, A.; Jarchi, D. Gyroscope vs. accelerometer measurements of motion from wrist PPG during physical exercise. ICT Express 2016, 2, 175-179. [Google Scholar] [CrossRef].

При подаче на вход обученной нейронной сети персональных данных конкретного пользователя и фактического паттерна дыхания, обученная нейронная сеть может:When fed personal data of a specific user and the actual breathing pattern to the input of a trained neural network, the trained neural network can:

определять вид физической активности пользователя,determine the type of physical activity of the user,

определять является ли пользователь практически здоровым человеком или имеет паттерн дыхания, относящийся к патологическому паттерну дыхания;determine whether the user is a generally healthy person or has a breathing pattern that is related to a pathological breathing pattern;

в случае, если определено, что пользователь является практически здоровым человеком, обученная нейронная сеть определяет оптимальный паттерн дыхания для пользователя, а также сравнивает параметры фактического дыхания пользователя, полученные из фактического паттерна дыхания пользователя с параметрами дыхания, полученными из оптимального паттерна дыхания при данном виде физической активности,if it is determined that the user is a practically healthy person, the trained neural network determines the optimal breathing pattern for the user, and also compares the parameters of the user's actual breathing obtained from the user's actual breathing pattern with the breathing parameters obtained from the optimal breathing pattern for a given type of physical activity,

на основании работы нейронной сети пользователю выдается:Based on the work of the neural network, the user is given:

если определено, что текущий паттерн дыхания относится к патологическим, рекомендация обратится к врачу для составления индивидуальной базы оптимальных паттернов дыхания, соответствующих определенному виду физической активности,if it is determined that the current breathing pattern is pathological, it is recommended to consult a doctor to create an individual database of optimal breathing patterns corresponding to a certain type of physical activity,

если определено, что текущий паттерн дыхания относится к паттерну дыхания практически здорового человека, рекомендация о характере оптимального дыхания, которого должен придерживаться пользователь в данный момент времени.if the current breathing pattern is determined to be that of a generally healthy person, a recommendation on the nature of optimal breathing that the user should adhere to at that moment in time.

Для простоты измеренный паттерн дыхания конкретного пользователя и допустимые границы типичных среднестатистических паттернов могут быть визуализированы на примере двух параметров - глубины дыхания и частоты дыхания. Фиг. 2 иллюстрирует примеры фазовых портретов возможных паттернов дыхания и их допустимых значений в системе глубины дыхания и частоты дыхания. На фиг.2 окружности, имеющие самые большие диаметры, представляют собой физиологические пределы нормы и очерчивают области, соответствующие типичному паттерну дыхания, типичным физиологическим пределам, то есть норме. Каждая окружность на фиг. 2 представляет собой не функцию зависимости частоты дыхания от глубины дыхания, а ограничивает геометрическое место точек соответствующее:For simplicity, the measured breathing pattern of a specific user and the acceptable limits of typical average statistical patterns can be visualized using two parameters - breathing depth and breathing rate. Fig. 2 illustrates examples of phase portraits of possible breathing patterns and their acceptable values in the breathing depth and breathing rate system. In Fig. 2, the circles with the largest diameters represent the physiological limits of the norm and outline the areas corresponding to the typical breathing pattern, the typical physiological limits, i.e. the norm. Each circle in Fig. 2 does not represent a function of the dependence of breathing rate on breathing depth, but limits the geometric locus of points corresponding to:

- физиологическим пределам дыхания среднестатистического человека (большая окружность на фигуре 2 (A), (B), (C)),- physiological limits of breathing of the average person (large circle in figure 2 (A), (B), (C)),

- пределам дыхания среднестатистического человека в стрессе (средняя окружность на фигуре 2 (A), (B), (C)),- the breathing limits of the average person under stress (the average circle in Figure 2 (A), (B), (C)),

- пределам дыхания среднестатистического человека при физической активности (наименьшая окружность на фигуре 2 (A), (B), (C)).- the breathing limits of the average person during physical activity (the smallest circle in figure 2 (A), (B), (C)).

Любая точка внутри этих областей представляет собой некоторое сочетание глубины и частоты дыхания, которые укладываются в пределы одного паттерна. То есть на фиг. 2 изображены фазовые портреты (совокупность возможных состояний системы, описанных в пространстве ее параметров), возможных паттернов дыхания и их допустимых значений в системе двух параметров дыхания: глубины и частоты дыхания A) для практически здорового человека, B) для человека в слабом физическом состоянии, C) для человека в стрессе. Во всех трех вариантах:Any point within these areas represents a certain combination of the depth and frequency of breathing, which fit within the limits of one pattern. That is, Fig. 2 shows phase portraits (a set of possible states of the system, described in the space of its parameters), possible breathing patterns and their permissible values in the system of two breathing parameters: the depth and frequency of breathing A) for a practically healthy person, B) for a person in a weak physical condition, C) for a person under stress. In all three variants:

- обозначенная точка - это произвольно выбранный пользователем паттерн дыхания при определенном виде физической деятельности/активности, то есть пользователь сам произвольно и неосознанно выбрал, как ему дышать;- the designated point is a breathing pattern arbitrarily chosen by the user during a certain type of physical activity, that is, the user himself arbitrarily and unconsciously chose how to breathe;

- обозначенная звездочка - это оптимальный паттерн дыхания при данном виде физической деятельности/активности.- the star marked is the optimal breathing pattern for a given type of physical activity.

Зависимость глубины дыхания от частоты дыхания для здорового человека показывает, что человек может использовать почти все типы дыхания в пределах своих физических возможностей (большая окружность). Для текущей физической активности небольшая корректировка дыхания может улучшить производительность физической активности. Например, при беге глубокое диафрагмальное дыхание поможет усилить активацию мышц пресса и улучшить процесс формирования мышц.The relationship between the depth of breathing and the frequency of breathing for a healthy person shows that a person can use almost all types of breathing within their physical capabilities (large circumference). For current physical activity, a small adjustment in breathing can improve the performance of physical activity. For example, when running, deep diaphragmatic breathing will help to increase the activation of the abdominal muscles and improve the process of muscle formation.

На фиг. 2 (B) зависимость глубины дыхания от частоты дыхания человека, здоровье которого ослаблено, показывает, что физические пределы дыхания для такого человека достаточно снижены. Большая окружность, обозначенная сплошной линией, показывает ограничение дыхания для практически здорового человека, а окружности меньшего диаметра показывают ограниченное дыхания для физически ослабленного человека. Видно, что при физической активности оптимальный паттерн дыхания (обозначен звездочкой) недоступен для человека, здоровье которого ослаблено. В этом случае необходимо снижение уровня физической активности или полный отказ от физической активности. Т.е. выбранная пользователем физическая нагрузка будет либо бесполезна, либо вредна, значит пользователь должен отказаться от такого вида физической активности и подобрать другой вид физической активности, которая подходит для его физиологических возможностей.In Fig. 2 (B) the dependence of the depth of breathing on the respiratory rate of a person whose health is weakened shows that the physical limits of breathing for such a person are significantly reduced. The large circle, marked with a solid line, shows the limitation of breathing for a practically healthy person, and the circles of a smaller diameter show the limitation of breathing for a physically weakened person. It is evident that during physical activity the optimal breathing pattern (marked with an asterisk) is not available for a person whose health is weakened. In this case, it is necessary to reduce the level of physical activity or completely abandon physical activity. That is, the physical activity chosen by the user will be either useless or harmful, which means the user should abandon this type of physical activity and select another type of physical activity that is suitable for his physiological capabilities.

На фиг. 2 (C) показан пример человека в сильной стрессовой ситуации, в которой оптимальные параметры дыхания для какой-либо активности в принципе не могут быть достигнуты (звездочка за пределами круга). Видно, что оптимальная схема дыхания (паттерн, показанный звездочкой) не может быть достигнута из-за сильного стресса пользователя. В этом случае можно дать рекомендации отложить физическую активность до тех пор, пока человек достаточно не успокоится, также можно порекомендовать медитацию или специальные дыхательные упражнения.Fig. 2 (C) shows an example of a person in a highly stressful situation, in which the optimal breathing parameters for any activity cannot be achieved in principle (asterisk outside the circle). It is clear that the optimal breathing pattern (the pattern shown by the asterisk) cannot be achieved due to the user's high stress. In this case, it is possible to recommend postponing physical activity until the person has calmed down sufficiently, or to recommend meditation or special breathing exercises.

При определении оптимального паттерна дыхания могут учитываться данные об уровне стресса пользователя. Из уровня техники известно, что современные смарт часы и фитнес браслеты обладают функцией измерения уровня стресса пользователя. Устройство анализирует разницу во времени между последовательными сокращениями сердца (вариабельность пульса). Для получения более точной информации мониторинг вариабельности пульса происходит непрерывно, для того чтобы лучше определять, какая вариативность между ударами происходит во время тренировок и во время отдыха. При этом следует учитывать тот факт, что показания во время тренировок не могут быть использованы для непосредственного определения уровня стресса, так как стресс является неотъемлемым компонентом любой физической активности. Смарт устройство определяет уровень стресса, когда человек находится в состоянии покоя (в отсутствии физической активности). Устройство анализирует дыхание пользователя (вдох и выдох). При вдохе происходит незначительное ускорение сердцебиения и разница по времени между ударами - сокращается, т.е. включается в работу симпатическая нервная система. При выдохе происходит обратный процесс - включается парасимпатическая система, пульс замедляется, а длительность между сердечными сокращениями увеличивается. Одним из главных показателей наличия стресса в организме является нарушение данного процесса, т.е. наблюдается очень низкая вариабельность пульса (даже если пульс при этом будет очень низкий). Для более точного расчета стресса учитываются следующие физиологические характеристики пользователя, получаемые при помощи фотоплетизмографического (PPG) датчика, встроенного в устройство: пульс, вариабельность пульса, частота дыхания, максимальное потребление кислорода (VO2max), а также избыточное потребление кислорода после тренировки (EPOC).When determining the optimal breathing pattern, the user's stress level data can be taken into account. It is known from the state of the art that modern smart watches and fitness bracelets have a function for measuring the user's stress level. The device analyzes the time difference between successive heartbeats (pulse variability). To obtain more accurate information, pulse variability monitoring occurs continuously in order to better determine what variability between beats occurs during training and during rest. It should be taken into account that the readings during training cannot be used to directly determine the stress level, since stress is an integral component of any physical activity. The smart device determines the stress level when a person is at rest (in the absence of physical activity). The device analyzes the user's breathing (inhalation and exhalation). When inhaling, there is a slight acceleration of the heartbeat and the time difference between beats is reduced, i.e. the sympathetic nervous system is activated. When exhaling, the reverse process occurs - the parasympathetic system is activated, the pulse slows down, and the duration between heartbeats increases. One of the main indicators of stress in the body is a disruption of this process, i.e. very low pulse variability is observed (even if the pulse is very low). For a more accurate calculation of stress, the following physiological characteristics of the user are taken into account, obtained using a photoplethysmographic (PPG) sensor built into the device: pulse, pulse variability, respiratory rate, maximum oxygen consumption (VO 2 max), and excess oxygen consumption after exercise (EPOC).

Если паттерн дыхания пользователя отличается от оптимального, который рекомендован для данного вида активности с учетом физиологических особенностей конкретного пользователя, то это может привести, например, к ранней усталости, неэффективности тренировки, когда мышцы недополучают кислород, или не работают нужные группы мышц, а также к серьезным осложнениям с сердцем или другими органами и т.д. Оптимальное дыхание влияет на снижение усталости, на эффективность снабжения мышц и мозга кислородом, на возможную продолжительность активности, на время и эффективность восстановления после нагрузок и т.п.If the user's breathing pattern differs from the optimal one, which is recommended for a given type of activity taking into account the physiological characteristics of a particular user, this can lead, for example, to early fatigue, ineffective training when the muscles do not receive enough oxygen, or the necessary muscle groups do not work, as well as serious complications with the heart or other organs, etc. Optimal breathing affects the reduction of fatigue, the efficiency of oxygen supply to the muscles and brain, the possible duration of activity, the time and efficiency of recovery after exercise, etc.

Среднестатистический оптимальный паттерн дыхания можно определять не только с использованием нейронной сети, как было описано выше, но и извлекать из базы данных. В общем случае стандартная база данных включает в себя данные о поле, возрасте, росте и весе, то есть персональные данные среднестатистического практически здорового человека, и соответствующие персональным данным рекомендуемые оптимальные паттерны дыхания (то есть наборы параметров дыхательного акта), для разных видов физической активности среднестатистического практически здорового человека с соответствующими данными профиля.The average optimal breathing pattern can be determined not only using a neural network, as described above, but also extracted from a database. In general, a standard database includes data on gender, age, height and weight, i.e. personal data of an average practically healthy person, and recommended optimal breathing patterns (i.e. sets of breathing parameters) corresponding to personal data for different types of physical activity of an average practically healthy person with corresponding profile data.

Оптимальные паттерны дыхания, рассчитываемые обученной нейронной сетью, могут отличатся для одной и той же физической активности для разных людей, и представляют собой диапазон допустимых значений параметров оптимального дыхания для определенного вида физической активности при известных персональных данных пользователя. То есть, каждому набору данных профиля соответствует по меньшей мере одна пара данных, включающая в себя вид физической активности с соответствующим этому виду физической активности оптимальным паттерном дыхания. Стандартная база данных формируется на базе обследования группы людей в контролируемых условиях в рамках клинических исследований аналогично сбору обучающей базы данных для обучения нейронной сети. То есть оптимальный паттерн дыхания при определенном виде физической активности, находящейся в базе данных - это усредненный оптимальный паттерн дыхания для обследуемых участников с приблизительно одинаковыми персональными данными. Точность выдачи рекомендаций при использовании базы данных ниже, чем точность выдачи рекомендаций при использовании обученной нейронной сети.The optimal breathing patterns calculated by the trained neural network may differ for the same physical activity for different people and represent a range of acceptable values of the optimal breathing parameters for a certain type of physical activity with known personal data of the user. That is, each set of profile data corresponds to at least one pair of data, including a type of physical activity with the optimal breathing pattern corresponding to this type of physical activity. The standard database is formed on the basis of examining a group of people under controlled conditions as part of clinical studies similar to collecting a training database for training the neural network. That is, the optimal breathing pattern for a certain type of physical activity in the database is the average optimal breathing pattern for the examined participants with approximately the same personal data. The accuracy of issuing recommendations when using the database is lower than the accuracy of issuing recommendations when using the trained neural network.

Тем не менее ни обученная нейронная сеть, ни стандартная база данных не учитывают индивидуальных особенностей пользователя, и рекомендованы пользователям, которые являются практически здоровыми, поскольку предлагают оптимальные паттерны дыхания для среднестатистического человека. Таким образом, у пользователя имеется выбор - либо воспользоваться стандартными опциями - обученная нейронная сеть или стандартная база данных, хранящиеся в память запоминающего устройства контроля паттернов дыхания, либо пройти обследование и составить свою индивидуальную базу данных для получения точных индивидуальных рекомендаций.However, neither the trained neural network nor the standard database take into account the individual characteristics of the user, and are recommended to users who are practically healthy, since they offer optimal breathing patterns for the average person. Thus, the user has a choice - either to use the standard options - the trained neural network or the standard database stored in the memory of the breathing pattern monitoring device, or to undergo an examination and create their own individual database to receive accurate individual recommendations.

В одном из вариантов осуществления определение оптимальных паттернов дыхания для разных видов физической активности для конкретного пользователя может быть осуществлено при непосредственном посещении пользователем врача, например, врача пульмонолога, то есть специалиста, который занимается исследованием и лечением заболеваний всех отделов дыхательной системы, рассматривая их в тесной взаимосвязи со всем организмом. При определении оптимальных паттернов дыхания для конкретного пользователя врач учитывает все персональные данные пользователя, такие как вес, рост, возраст, давление, частоту пульса в покое и при нагрузках, наличие хронических заболеваний, вредных привычек, а также все физиологические особенности, способные повлиять на процесс дыхания. Кроме того, для более точных прогнозов оптимальных паттернов дыхания при различных видах активности пользователю предлагается пройти некоторые дополнительные обследования, такие как, например, ЭКГ или холтеровское мониторирование. Так же врачом измеряются паттерны дыхания, произвольно выбранные пользователем, при различных видах активности, при нагрузках и без нагрузок, а также изменения в паттернах дыхания в ответ на рекомендованные действия по их корректировке. При измерении паттернов дыхания пользователя врач осуществляет контроль за давлением, пульсом, изменением в ЭКГ. По результатам обследования врачом составляется индивидуальная база данных, включающая в себя рекомендуемые оптимальные паттерны дыхания при различных состояниях пользователя, то есть в зависимости от амплитуды, частоты и фазы дыхательной волны в паттерне дыхания для различных видов физической активности. В этом случае пользователь заносит данные из полученной от врача базы данных в устройство контроля паттернов дыхания, или в носимое устройство, в котором используется устройство контроля паттернов дыхания. В базе данных содержатся сведения о различных типах физической активности и оптимальных для данного пользователя, соответствующих каждому типу физической активности, паттернах дыхания. Другими словами - оптимальных для данного пользователя наборов характеристик дыхательного акта для каждого из видов физической активности.In one embodiment, determining the optimal breathing patterns for different types of physical activity for a specific user can be done during a direct visit by the user to a doctor, for example, a pulmonologist, i.e. a specialist who studies and treats diseases of all parts of the respiratory system, considering them in close connection with the whole body. When determining the optimal breathing patterns for a specific user, the doctor takes into account all personal data of the user, such as weight, height, age, blood pressure, heart rate at rest and under load, the presence of chronic diseases, bad habits, as well as all physiological characteristics that can affect the breathing process. In addition, for more accurate predictions of optimal breathing patterns for different types of activity, the user is offered to undergo some additional examinations, such as, for example, an ECG or Holter monitoring. The doctor also measures breathing patterns arbitrarily selected by the user, for different types of activity, with and without loads, as well as changes in breathing patterns in response to recommended actions to correct them. When measuring the user's breathing patterns, the doctor monitors blood pressure, pulse, and changes in the ECG. Based on the results of the examination, the doctor compiles an individual database that includes recommended optimal breathing patterns for various user states, i.e. depending on the amplitude, frequency, and phase of the respiratory wave in the breathing pattern for various types of physical activity. In this case, the user enters data from the database received from the doctor into a breathing pattern monitoring device or into a wearable device that uses a breathing pattern monitoring device. The database contains information about various types of physical activity and the optimal breathing patterns for a given user, corresponding to each type of physical activity. In other words, the optimal sets of respiratory act characteristics for each type of physical activity for a given user.

Носимое устройство, в котором используется предлагаемое устройство контроля паттернов дыхания, может содержать обученную нейронную сеть и/или запоминающее устройство для хранения базы данных. Носимое устройство может содержать устройство ввода, выполненное с возможностью вводить персональные данные пользователя (например, возраст, пол, вес, рост), а также данные индивидуальной базы данных, рекомендованной врачом.The wearable device, in which the proposed breathing pattern monitoring device is used, may contain a trained neural network and/or a memory device for storing a database. The wearable device may contain an input device designed to input personal user data (e.g. age, gender, weight, height), as well as data from an individual database recommended by a doctor.

В одном из вариантов воплощения на экране носимого устройства отображается фактический и оптимальный паттерны дыхания, например, в виде зависимости глубины дыхания от времени, для данного вида физической активности и соответствующие рекомендации для достижения оптимальных значений паттернов дыхания для данного вида физической активности. Также устройство может дополнительно содержать модуль связи, выполненный с возможностью обмениваться информацией с удаленным сервером (например, врача) и/или облачным хранилищем (врача или пользователя).In one embodiment, the screen of the wearable device displays the actual and optimal breathing patterns, for example, in the form of a dependence of the depth of breathing on time, for a given type of physical activity and the corresponding recommendations for achieving optimal values of breathing patterns for a given type of physical activity. The device may also additionally contain a communication module configured to exchange information with a remote server (for example, a doctor) and/or cloud storage (a doctor or user).

Различные виды деятельности и различное состояние здоровья человека имеют разные ограничения и требования к оптимальному дыханию. Любой анализ дыхания и рекомендации следует рассматривать в контексте определенной деятельности и конкретного человека. В рамках одной и той же деятельности разные цели могут предполагать разные оптимальные паттерны дыхания. Например, во время бега человек может реализовать разные цели, посредством сознательного регулирования своего дыхания. То есть пользователь подстраивает дыхание под то, которое определено для него оптимальным в данной ситуации, и паттерн дыхания меняется. С помощью предлагаемого изобретения паттерны дыхания отслеживаются в режиме реального времени, и пользователь получает обратную связь, касающуюся того, насколько паттерн дыхания, который он сознательно воспроизводит, является оптимальным.Different activities and different health conditions of a person have different limitations and requirements for optimal breathing. Any breathing analysis and recommendations should be considered in the context of a specific activity and a specific person. Within the same activity, different goals may imply different optimal breathing patterns. For example, when running, a person can realize different goals by consciously regulating their breathing. That is, the user adjusts their breathing to what is determined to be optimal for them in a given situation, and the breathing pattern changes. With the proposed invention, breathing patterns are monitored in real time, and the user receives feedback regarding how optimal the breathing pattern they consciously reproduce is.

Например:For example:

- Кардиобег предполагает скорость, при которой человек не перегружает свое сердце и легкие, а также не переутомляет мышцы, и расстояние, цель - кардиотренировка, в этом случае дыхание должно осуществляться в экономичном режиме, то есть иметь умеренную частоту и глубину. Скорость кардиобега обычно составляет около 6-8 км/ч. Этот вид бега является наиболее безопасным и подходит для людей разных возрастов и уровня физической подготовки.- Cardio running involves a speed at which a person does not overload his heart and lungs, and does not overwork his muscles, and distance, the goal is cardio training, in this case breathing should be carried out in an economical mode, that is, have a moderate frequency and depth. The speed of cardio running is usually about 6-8 km / h. This type of running is the safest and is suitable for people of different ages and levels of physical fitness.

- Спринт предполагает короткую дистанцию и высокую скорость (более 8 км/ч), цель - достичь максимальной скорости, в этом случае дыхание должно быть поверхностным (то есть дыхание короткими вдохами), быстрым и высоко синхронизированным с движением;- Sprint involves a short distance and high speed (more than 8 km/h), the goal is to reach maximum speed, in this case breathing should be shallow (i.e. breathing in short breaths), fast and highly synchronized with the movement;

- Марафон предполагает бег на выносливость, цель: дойти до финиша, в этом случае дыхание должно быть экономным, медленным, с носовым вдохом, при котором осуществляется экономное расходование воздуха, набранного при вдохе, то есть постепенное выдыхание воздуха).- A marathon involves running for endurance, the goal is to reach the finish line, in this case breathing should be economical, slow, with nasal inhalation, which involves economical use of air taken in during inhalation, that is, gradual exhalation of air).

Непрерывное отслеживание паттернов дыхания может выявить опасные состояния для чувствительных групп людей, таких как астматики, диабетики, люди, страдающие апноэ, сердечно-сосудистыми заболеваниями, люди, находящиеся в коме и т.п.Continuous monitoring of breathing patterns can identify dangerous conditions for sensitive groups of people such as asthmatics, diabetics, people with sleep apnea, cardiovascular diseases, people in comas, etc.

Фиг. 3 иллюстрирует пример респираторного сигнала как паттерна дыхания среднестатистического практически здорового человека. По паттерну дыхания определяется набор параметров дыхательного акта. По оси Х отложено время, по оси Y - амплитуда оптического сигнала, соответствующая различным фазам дыхательного процесса. Как описано выше, респираторный сигнал, то есть сигнал, описывающий процесс дыхания, выделяется из сигнала PPG, снимаемого фотоплетизмографом носимого устройства. График получают из сигнала PPG путем обработки, позволяющей сохранить амплитуду, частоту и фазу компонентов сигнала PPG, соответствующих дыхательной активности. Обработка может осуществляться посредством аналогового фильтра, цифрового фильтра, методов машинного обучения, нейронных сетей и т.п.Fig. 3 illustrates an example of a respiratory signal as a breathing pattern of an average, practically healthy person. The breathing pattern is used to determine a set of parameters of the respiratory act. Time is plotted along the X axis, and the amplitude of the optical signal corresponding to different phases of the respiratory process is plotted along the Y axis. As described above, the respiratory signal, i.e. the signal describing the breathing process, is extracted from the PPG signal recorded by the photoplethysmograph of the wearable device. The graph is obtained from the PPG signal by processing that allows preserving the amplitude, frequency, and phase of the PPG signal components corresponding to the respiratory activity. Processing can be performed using an analog filter, a digital filter, machine learning methods, neural networks, etc.

Такой график (фиг. 3) является очень информативным, т.к. каждая часть графика соответствует какой-либо характеристике дыхательного акта, например, но без ограничений:Such a graph (Fig. 3) is very informative, since each part of the graph corresponds to some characteristic of the respiratory act, for example, but without limitations:

1 - объем вдыхаемого воздуха;1 - volume of inhaled air;

2 - скорость вдоха;2 - inhalation rate;

3 - время выдоха;3 - exhalation time;

4 - объем выдыхаемого воздуха;4 - volume of exhaled air;

5 - частота дыхания;5 - respiratory rate;

6 - время между выдохом и последующим вдохом (пауза);6 - time between exhalation and subsequent inhalation (pause);

7 - длительность цикла дыхания;7 - duration of the breathing cycle;

8 - глубина дыхания;8 - depth of breathing;

9 - длительность задержки дыхания;9 - duration of breath holding;

10 - задержка дыхания.10 - holding your breath.

Пунктирная линия показывает касательную к переднему фронту импульса, соответствующего фазе вдоха. Наклон касательной определяет скорость вдоха 2.The dotted line shows the tangent to the leading edge of the pulse corresponding to the inspiratory phase. The slope of the tangent determines the inspiratory velocity 2.

Также возможно определить количество и периодичность задержек дыхания, среднее значение перечисленных параметров за определенный промежуток времени, отклонения перечисленных параметров от средних величин за определенный промежуток времени и т.п.It is also possible to determine the number and frequency of breath holding, the average value of the listed parameters for a certain period of time, deviations of the listed parameters from the average values for a certain period of time, etc.

Из уровня техники известно определение параметров дыхания по респираторному сигналу, как показано на фиг. 3 (P. H Charlton1, T. Bonnici, L. Tarassenko, J. Alastruey, D. A Clifton, R. Beale1, P. J Watkinson, “Extraction of respiratory signals from the electrocardiogram and photoplethysmogram: technical and physiological determinants”, Physiological Measurement, v. 38 (5), 2017) Необходимо отметить, что список параметров дыхания приведен только для примера, и это только один из возможных вариантов анализа респираторного сигнала.It is known from the prior art to determine the respiratory parameters from the respiratory signal, as shown in Fig. 3 (P. H Charlton1, T. Bonnici, L. Tarassenko, J. Alastruey, D. A Clifton, R. Beale1, P. J Watkinson, “Extraction of respiratory signals from the electrocardiogram and photoplethysmogram: technical and physiological determinants”, Physiological Measurement, v. 38 (5), 2017) It should be noted that the list of respiratory parameters is provided only as an example, and this is only one of the possible options for analyzing the respiratory signal.

На фиг. 3 в рамке справа показано отличие между двумя событиями - один вдох/выдох и другой вдох/выдох. График 11 соответствует случаю, когда человек вдохнул одним образом, график 12 соответствует случаю, когда человек вдохнул другим образом. Отличия в форме импульсов разных вдохов показывают разницу между паттернами дыхания, а также разную стабильность дыхания. Если паттерн дыхания пользователя меняется за время накопления сигнала, сигнал может быть разбит на участки и каждый участок может соответствовать своему паттерну. Таким образом, можно отслеживать динамику изменения паттернов дыхания в течение неопределенного времени.In Fig. 3, the frame on the right shows the difference between two events - one inhalation/exhalation and another inhalation/exhalation. Graph 11 corresponds to the case when the person inhaled in one way, graph 12 corresponds to the case when the person inhaled in a different way. The differences in the pulse shape of different inhalations show the difference between breathing patterns, as well as the different stability of breathing. If the user's breathing pattern changes during the signal accumulation time, the signal can be divided into sections and each section can correspond to its own pattern. In this way, it is possible to track the dynamics of changes in breathing patterns over an indefinite period of time.

Паттерны дыхания одного и того же типа могут иметь индивидуальную изменчивость для пользователя из-за физиологических различий между пользователями. Производительность алгоритмов извлечения рекомендуемых паттернов дыхания и классификации/оценки параметров фактических паттернов дыхания, полученных от пользователя, может быть улучшена, если они откалиброваны для конкретного пользователя. В калибровку могут быть включены определенные шаблоны движения пользователя (спортивная ходьба, бег, занятия йогой, медитация и т.п.) Перед использованием предлагаемого устройства контроля паттернов дыхания, пользователю рекомендуется внести персональные данные, указав пол, возраст, рост, вес, а также провести калибровочное измерение в спокойном состоянии (в отсутствии стресса и без наличия физической активности) для выявления явных патологий дыхания, например, таких, как показаны на фиг. 1. Выявления явных патологий дыхания осуществляется нейронной сетью путем сопоставления набора параметров дыхания, полученных из респираторного сигнала фактического текущего PPG сигнала, с параметрами дыхания, относящимися к патологическим типам дыхания. Если при калибровочном измерении выявлено, что дыхание пользователя соответствует патологическому дыханию, то пользователю дается рекомендация обратиться к врачу для составления индивидуальной базы данных, как описано выше.Breathing patterns of the same type may have individual variability for the user due to physiological differences between users. The performance of the algorithms for extracting recommended breathing patterns and classifying/estimating the parameters of actual breathing patterns obtained from the user may be improved if they are calibrated for a specific user. Certain user movement patterns (race walking, running, yoga, meditation, etc.) may be included in the calibration. Before using the proposed breathing pattern monitoring device, the user is recommended to enter personal data, indicating gender, age, height, weight, and also to perform a calibration measurement in a calm state (in the absence of stress and without physical activity) to identify obvious breathing pathologies, such as those shown in Fig. 1. Detection of obvious breathing pathologies is performed by a neural network by comparing a set of breathing parameters obtained from the respiratory signal of the actual current PPG signal with breathing parameters related to pathological breathing types. If the calibration measurement reveals that the user's breathing corresponds to pathological breathing, the user is advised to consult a doctor to compile an individual database, as described above.

Когда используется индивидуальная база данных, составленная врачом, то устройство работает как описано ниже, но вместо обученной нейронной сети или среднестатистической базы данных используется индивидуальная база данных, данные которой заносятся в носимое устройство.When a personalized database compiled by a physician is used, the device operates as described below, but instead of a trained neural network or an average database, a personalized database is used and the data is entered into the wearable device.

Фиг. 4 иллюстрирует схему предлагаемого способа контроля паттернов дыхания:Fig. 4 illustrates the scheme of the proposed method for monitoring breathing patterns:

Этап 1 выполняется в носимом устройстве 13, содержащем Фотоплетизмографический (PPG) сенсор и датчик IMU. Пользователь фиксирует свои персональные данные (например, пол, рост, вес, возраст) в блоке памяти. Также на начальном этапе пользователем может быть осуществлено калибровочное измерение в спокойном состоянии для выявления явных патологий дыхания. Если при калибровочном измерении явных патологий дыхания не выявлено, фотоплетизмографический (PPG) сенсор, установленный в носимом устройстве, выдает сигнал PPG (фотоплетизмограмму). Полученная фотоплетизмограмма может обрабатываться как на самом носимом устройстве, так и на смартфоне, на компьютере и т.п. Также получают данные от датчика IMU.Stage 1 is performed in the wearable device 13, containing a photoplethysmographic (PPG) sensor and an IMU sensor. The user records his personal data (e.g., gender, height, weight, age) in the memory block. Also, at the initial stage, the user can perform a calibration measurement in a calm state to identify obvious breathing pathologies. If no obvious breathing pathologies are detected during the calibration measurement, the photoplethysmographic (PPG) sensor installed in the wearable device produces a PPG signal (photoplethysmogram). The resulting photoplethysmogram can be processed both on the wearable device itself and on a smartphone, on a computer, etc. Data is also received from the IMU sensor.

Этап 2 выполняется в блоке разделения 14. В блоке разделения выделяют из сигнала PPG респираторный сигнал и сигнал частоты сердечных сокращений.Stage 2 is performed in the separation unit 14. In the separation unit, the respiratory signal and the heart rate signal are separated from the PPG signal.

В блоке распознавания вида физической активности 15 по сигналу частоты сердечных сокращений и данным от датчика IMU распознают вид физической активности пользователя (например, спорт, сон, отдых, медитация и т.п.). В одном из вариантов воплощения изобретения пользователь сам может указать вид своей физической активности, занося данные о виде физической активности в носимое устройство.In the physical activity type recognition unit 15, the user's physical activity type is recognized based on the heart rate signal and data from the IMU sensor (e.g., sports, sleep, rest, meditation, etc.). In one embodiment of the invention, the user can specify the type of his/her physical activity by entering data on the type of physical activity into the wearable device.

Этап 3 выполняется в блоке классификации 16. В блоке классификации 16 распознают фактический паттерн дыхания из респираторного сигнала, то есть задают длительность временного окна и оценивают параметры (показанные на фиг. 3) респираторного сигнала в выбранном временном окне. Если в процессе выполнения этапа для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то анализируют паттерн дыхания с заданной длительностью временного окна, если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то уменьшают длительность временного окна, если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то увеличивают длительность временного окна.Step 3 is performed in classification block 16. In classification block 16, the actual breathing pattern is recognized from the respiratory signal, i.e. the duration of the time window is set and the parameters (shown in Fig. 3) of the respiratory signal in the selected time window are estimated. If, during the execution of step for at least 70% of the breathing parameters, then the breathing pattern is analyzed with a given time window duration, if for at least 70% of the breathing parameters, then reduce the duration of the time window if for at least 70% of the breathing parameters, then increase the duration of the time window.

Этап 4 выполняется в обученной нейронной сети. Подают на вход обученной нейронной сети персональные данные пользователя, данные фактического паттерна дыхания и данные датчика IMU. На выходе нейронной сети получают рекомендацию об оптимальном респираторном сигнале в виде текста или графика, иллюстрирующего оптимальный респираторный сигнал, наложенный на фактический текущий респираторный сигнал.Step 4 is performed in the trained neural network. The user's personal data, the actual breathing pattern data, and the IMU sensor data are fed to the trained neural network's input. The neural network outputs a recommendation on the optimal respiratory signal in the form of text or a graph illustrating the optimal respiratory signal superimposed on the actual current respiratory signal.

Если вместо нейронной сети используется база данных, то этап 4 осуществляется в блоке сравнения 17. В блоке сравнения 17 осуществляют сравнение параметров фактического паттерна дыхания с параметрами паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности. Выявляют отклонения характеристик (показанных на фиг. 3) фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности. Далее осуществляется этап 5 в блоке выдачи 18 рекомендаций. На основании сравнения выдают рекомендацию пользователю в режиме реального времени по технике дыхания, которую может применить пользователь при данном виде физической активности для получения наилучших результатов без вреда для своего здоровья. То есть, если обнаружены отклонения параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров паттерна дыхания из базы данных, то пользователю выдают, как рекомендацию, упомянутый паттерн дыхания из базы данных. Рекомендация может выдаваться различными способами, например, в виде конкретных словесных рекомендаций, корректирующих характеристики дыхательного акта, показанные на фиг. 3. Например, рекомендация также может выводится на дисплей в виде графика, показанного на фиг. 5, как будет описано ниже.If a database is used instead of a neural network, then step 4 is performed in comparison unit 17. In comparison unit 17, the parameters of the actual breathing pattern are compared with the parameters of the breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity. Deviations of the characteristics (shown in Fig. 3) of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity are detected. Then step 5 is performed in recommendation output unit 18. Based on the comparison, a recommendation is issued to the user in real time on the breathing technique that the user can use in this type of physical activity to obtain the best results without harm to their health. That is, if deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the breathing pattern from the database are detected, then the user is issued, as a recommendation, the said breathing pattern from the database. The recommendation can be issued in various ways, for example, in the form of specific verbal recommendations that correct the characteristics of the breathing act shown in Fig. 3. For example, the recommendation may also be displayed in the form of a graph as shown in Fig. 5, as will be described below.

Носимое устройство может работать в режиме отслеживания дыхания круглосуточно. При выборе пользователем стандартной базы данных пользователь должен ввести в носимое устройство или смартфон, содержащие предлагаемое устройство контроля паттернов дыхания, данные своего профиля, например, пол, рост, вес, возраст, которые будут учитываться при выдаче оптимальных рекомендация пользователю по сознательному регулированию дыхания.The wearable device can operate in the breathing tracking mode 24/7. When the user selects the standard database, the user must enter into the wearable device or smartphone containing the proposed breathing pattern monitoring device, their profile data, such as gender, height, weight, age, which will be taken into account when issuing optimal recommendations to the user for conscious breathing regulation.

Фиг. 5 иллюстрирует два паттерна дыхания на примере одной характеристики дыхательного акта - глубины дыхания (то есть на фиг. 5 показан не весь паттерн дыхания, который выделяется из PPG - сигнала, как на фиг. 3, а только один параметр дыхания - глубина дыхания). Такие графики можно построить для всех параметров дыхания. Пользователь может переключать устройство так, чтобы рекомендуемый результат выводился в разных параметрах. (A) оптимальная глубина дыхания в зависимости от времени, (B) фактически измеренная глубина дыхания пользователя в зависимости от времени. В данном примере фактическая глубина дыхания (B) измеряется в течение длительного времени (то есть имеет длительное временное окно), при этом синхронно определяется оптимальная глубина дыхания (A) (пунктирная линия) и допустимые отклонения (C) глубины дыхания от оптимальной глубины дыхания. Такие графики могут отображаться на дисплее носимого устройства в режиме реального времени. На фиг. 5 на графике показан для примера только один из параметров, определяющих паттерн дыхания - глубина дыхания. Задача пользователя в буквальном смысле дышать таким образом, чтобы кривая (B) совместилась с кривой (A), (или была в пределах допустимых отклонений (С)), например, увеличив, соответственно, амплитуду своей кривой (B), то есть глубину дыхания, и подстроив периодичность дыхания, т.е. совместив период своей кривой (B) и период кривой (A). Задача пользователя либо самостоятельно совместить кривые, если рекомендации даны в виде графиков. Причем при правильном применении рекомендаций график (A) должен совпасть с графиком (B), или по крайней мере пользователь может добиться такого режима дыхания, при котором график (B) будет находиться в пределах допустимых отклонений (C) дыхания от оптимального паттерна дыхания.Fig. 5 illustrates two breathing patterns using the example of one characteristic of the respiratory act - breathing depth (i.e., Fig. 5 does not show the entire breathing pattern, which is extracted from the PPG signal, as in Fig. 3, but only one breathing parameter - breathing depth). Such graphs can be constructed for all breathing parameters. The user can switch the device so that the recommended result is displayed in different parameters. (A) optimal breathing depth depending on time, (B) actually measured breathing depth of the user depending on time. In this example, the actual breathing depth (B) is measured over a long period of time (i.e., has a long time window), while the optimal breathing depth (A) (dotted line) and the permissible deviations (C) of breathing depth from the optimal breathing depth are synchronously determined. Such graphs can be displayed on the display of the wearable device in real time. In Fig. 5, the graph shows, as an example, only one of the parameters determining the breathing pattern - breathing depth. The user's task is to literally breathe in such a way that curve (B) coincides with curve (A) (or is within the permissible deviations (C)), for example, by increasing the amplitude of their curve (B), i.e. the depth of breathing, and adjusting the periodicity of breathing, i.e. aligning the period of their curve (B) and the period of curve (A). The user's task is either to independently align the curves if the recommendations are given in the form of graphs. Moreover, with the correct application of the recommendations, graph (A) should coincide with graph (B), or at least the user can achieve a breathing mode in which graph (B) will be within the permissible deviations (C) of breathing from the optimal breathing pattern.

В другом варианте пользователь может следовать словесным рекомендациям, появляющимся на носимом устройстве, и сознательно дышать рекомендованным образом.Alternatively, the user can follow verbal guidance that appears on the wearable device and consciously breathe in the recommended manner.

Пользователь также может получить рекомендацию одновременно в виде графиков и словесных рекомендаций по совмещению своего графика с графиком оптимального дыхания.The user can also receive advice in the form of both graphs and verbal recommendations on how to align their graph with the optimal breathing graph.

Таким образом, пользователь может контролировать, например, одышку. То есть при распознавании одышки на экран выводится предел допустимых отклонений дыхания от оптимального паттерна дыхания и рекомендация пользователю о способе дыхания. При применении рекомендации пользователь может отслеживать правильность выполнения рекомендации по тому, что его дыхание не выходит за предел допустимых отклонений дыхания от оптимального паттерна дыхания. Если же продолжительность или интенсивность одышки выходит за пределы диапазона оптимальных значений, пользователю выводится предупреждающее сообщение по корректировке дыхания.In this way, the user can control, for example, shortness of breath. That is, when shortness of breath is recognized, the limit of permissible deviations of breathing from the optimal breathing pattern and a recommendation to the user on the breathing method are displayed on the screen. When applying the recommendation, the user can monitor the correctness of the recommendation by the fact that his breathing does not go beyond the limit of permissible deviations of breathing from the optimal breathing pattern. If the duration or intensity of shortness of breath goes beyond the range of optimal values, the user is shown a warning message on adjusting breathing.

Таким образом, возможно осуществлять контроль за различными паттернами дыхания, например, соответствующими одышке, поверхностному дыханию, нормальному дыханию, глубокому дыханию и т.п., и за распределением этих паттернов по времени наблюдения, то есть в какой момент времени какой паттерн дыхания наблюдался. В настоящее время часы Galaxy Watch выводят информацию только по качеству сна, стрессу, частоте сердечных сокращений и пр.In this way, it is possible to monitor various breathing patterns, such as shortness of breath, shallow breathing, normal breathing, deep breathing, etc., and the distribution of these patterns over the observation time, i.e. at what point in time which breathing pattern was observed. Currently, the Galaxy Watch only displays information on sleep quality, stress, heart rate, etc.

Для анализа паттерна дыхания необходимо задетектировать как минимум 3 акта дыхания, то есть 3 вдоха, минимальная длительность сигнала PPG от 5 секунд.To analyze the breathing pattern, it is necessary to detect at least 3 breathing acts, i.e. 3 breaths, the minimum duration of the PPG signal is 5 seconds.

Фиг. 6 иллюстрирует этапы определения отклонения фактического паттерна дыхания пользователя от оптимального паттерна дыхания, в случае использования базы данных:Fig. 6 illustrates the steps for determining the deviation of the user's actual breathing pattern from the optimal breathing pattern, in the case of using a database:

(A) Имеется фактический паттерн дыхания пользователя, обозначен точкой на фазовом портрете в системе двух параметров дыхания - глубины дыхания В и частоты дыхания A, также определен тип физической активности пользователя. Два параметра дыхания А и В показаны только в качестве примера, в общем случае по фактическому паттерну дыхания возможно определить все параметры дыхания, как показано на Фиг. 3;(A) There is the actual breathing pattern of the user, indicated by a point on the phase portrait in the system of two breathing parameters - breathing depth B and breathing frequency A, and the type of physical activity of the user is also determined. The two breathing parameters A and B are shown only as an example, in the general case, it is possible to determine all breathing parameters from the actual breathing pattern, as shown in Fig. 3;

(B) Эллипсом обозначена область паттернов дыхания из базы данных, оптимальных для указанной пользователем физической активности;(B) The ellipse indicates the area of breathing patterns from the database that are optimal for the user-specified physical activity;

(С) Определяют наименьшее расстояние (отклонение) от фактического паттерна дыхания пользователя до области с паттернами дыхания из базы данных, оптимальными для указанной пользователем физической активности. Отклонение ΔA по оси x соответствует отклонению от оптимальной (рекомендуемой) частоты А дыхания, отклонение ΔB по оси y соответствующее отклонению от оптимальной (рекомендуемой) глубины дыхания В.(C) Determine the smallest distance (deviation) from the actual breathing pattern of the user to the area with breathing patterns from the database that are optimal for the physical activity specified by the user. The deviation ΔA along the x-axis corresponds to the deviation from the optimal (recommended) breathing frequency A, the deviation ΔB along the y-axis corresponds to the deviation from the optimal (recommended) breathing depth B.

(D) На основании полученных отклонений выдаются рекомендации пользователю по оптимизации дыхания. Рекомендации могут выдаваться в любом удобном виде, например, словами «частота дыхания должна быть такая-то, глубина такая-то» или «дышать чаще/реже, глубже/мельче, носом/ртом, грудью/животом». Необходимо заметить, что человек не может дышать животом как таковым, так как легких в нем нет, можно лишь надуть его или втягивать. По сути, под дыханием животом подразумевается глубокое дыхание диафрагмой, которое обеспечивает организм достаточным уровнем кислорода, в отличие от поверхностного дыхания грудной клеткой (грудью). Дополнительные исследования показали наглядную разницу в форме респираторного сигнала для дыхания животом и поверхностного дыхания грудью.(D) Based on the deviations received, the user is given recommendations on how to optimize breathing. The recommendations can be given in any convenient form, for example, in words such as "breathing frequency should be such and such, depth such and such" or "breathe more often/less often, deeper/shallower, through the nose/mouth, chest/stomach". It should be noted that a person cannot breathe with the stomach as such, since there are no lungs in it, it can only be inflated or drawn in. In essence, breathing with the stomach means deep breathing with the diaphragm, which provides the body with a sufficient level of oxygen, as opposed to shallow breathing with the ribcage (chest). Additional studies have shown a clear difference in the shape of the respiratory signal for breathing with the stomach and shallow breathing with the chest.

В другом варианте рекомендации могут сопровождаться визуализацией, как на фиг. 5, когда нужно вписать кривую (B) пользователя в кривую (A) рекомендуемого дыхания, тогда пользователь в реальном времени видит, как меняется форма его кривой (B) и приближается к рекомендуемой кривой (A).In another embodiment, the recommendations can be accompanied by visualization, as in Fig. 5, when it is necessary to fit the user's curve (B) into the curve (A) of the recommended breathing, then the user sees in real time how the shape of his curve (B) changes and approaches the recommended curve (A).

Помимо PPG сигнала возможно использование дополнительных сигналов, получаемых с помощью носимого устройства такими датчиками, как датчик биоимпеданса, гироскоп, микрофон, датчик температуры. В частности, с помощью микрофона определяют звук вдыхаемого/выдыхаемого воздуха, или звуки шагов и движений для определения вида физической активности.In addition to the PPG signal, it is possible to use additional signals received by the wearable device using sensors such as a bioimpedance sensor, gyroscope, microphone, and temperature sensor. In particular, the microphone is used to determine the sound of inhaled/exhaled air, or the sounds of steps and movements to determine the type of physical activity.

Если пользователь считает себя практически здоровым, но при этом не может достичь рекомендуемого паттерна дыхания в течение 10-15 минут, то считается, что это связано с физиологическими особенностями конкретного пользователя. В этом случае рекомендации меняются, пользователю предоставляются более легкие условия и менее оптимальный паттерн дыхания, подходящий для текущей физической активности пользователя и для текущего физического состояния пользователя, чтобы пользователь имел возможность выполнить выдаваемые рекомендации. Более легкие условия рассчитываются, исходя из реакции физиологических параметров пользователя на рекомендации. Если, например, при увеличении, согласно рекомендации, частоты или глубины дыхания у человека значительно вырастает или сбивается частота сердечных сокращений, значит он не выдерживает такой предлагаемый темп и ему рекомендуются другие более «легкие» параметры дыхания. Параллельно обновляется профиль пользователя и для него из базы данных подбираются новые оптимальные профили, соответствующие его состоянию.If the user considers himself/herself to be practically healthy, but at the same time cannot achieve the recommended breathing pattern within 10-15 minutes, it is considered that this is due to the physiological characteristics of a specific user. In this case, the recommendations are changed, the user is provided with easier conditions and a less optimal breathing pattern suitable for the user's current physical activity and for the user's current physical condition, so that the user has the opportunity to follow the recommendations. Easier conditions are calculated based on the reaction of the user's physiological parameters to the recommendations. If, for example, when increasing the frequency or depth of breathing according to the recommendation, a person's heart rate increases or decreases significantly, then he/she cannot withstand such a proposed pace and other "easier" breathing parameters are recommended. In parallel, the user's profile is updated and new optimal profiles corresponding to his/her condition are selected from the database.

Связь паттернов дыхания и физической деятельности пользователя важна, например, для профессиональных спортсменов. Например, при упражнениях по тренировке пресса из положения лежа, спортсмену важно выдыхать в верхней точке, то есть когда поднимается корпус тела во время упражнения, и вдыхать, когда опускается корпус тела. При выполнении упражнений на пресс выдох делается при поднятии ног или корпуса, а вдох - при опускании. Дыхание должно быть глубоким (диафрагмальным), но комфортным. При вдохе живот должен надуваться. Это активизирует диафрагму и позволяет достичь гораздо большего эффекта от упражнения. В этом случае пользователю рекомендуется паттерн дыхания с учетом конкретного движения пользователя, то есть параметры дыхания пользователь осознанно может подстроить под свои определенные движения, благодаря рекомендациям, получаемым из носимого устройства. В случае упражнений пользователю могут быть даны замечания, что он вдыхает слишком рано или слишком поздно.The connection between breathing patterns and the user's physical activity is important, for example, for professional athletes. For example, when doing abdominal exercises from a lying position, it is important for the athlete to exhale at the top point, that is, when the body rises during the exercise, and inhale when the body lowers. When doing abdominal exercises, exhale when raising the legs or body, and inhale when lowering. Breathing should be deep (diaphragmatic), but comfortable. When inhaling, the stomach should inflate. This activates the diaphragm and allows for a much greater effect from the exercise. In this case, the user is recommended a breathing pattern based on the user's specific movement, that is, the user can consciously adjust the breathing parameters to their specific movements, thanks to recommendations received from the wearable device. In the case of exercises, the user may be given comments that they are inhaling too early or too late.

Респираторный сигнал можно выделять из PPG сигнала, например, следующими известными из уровня техники способами:The respiratory signal can be extracted from the PPG signal, for example, by the following methods known from the prior art:

1. Амлитудная демодуляция.1. Amplitude demodulation.

2. Частотная демодуляция.2. Frequency demodulation.

3. Комбинация амплитудной и частотной демодуляции.3. Combination of amplitude and frequency demodulation.

4. С помощью алгоритмов машинного обучения.4. Using machine learning algorithms.

5. Адаптивные методы.5. Adaptive methods.

Для информирования пользователя об отношении его фактического паттерна дыхания к оптимальному паттерну дыхания могут использоваться различные виды обратной связи. Например, визуальная, звуковая и виброотклик. В самом сложном случае устройство демонстрирует целевой паттерн дыхания пользователя в виде временного графика некоторого параметра дыхания (например, глубины дыхания). Для упражнений удобнее использовать звуковые или вибросигналы, синхронизированные с целевым паттерном дыхания. В этом случае пользователю не нужно мгновенно смотреть на носимое устройство.To inform the user about the relationship between their actual breathing pattern and the optimal breathing pattern, various types of feedback can be used. For example, visual, audio, and vibration feedback. In the most complex case, the device demonstrates the user's target breathing pattern as a time graph of some breathing parameter (for example, breathing depth). For exercises, it is more convenient to use audio or vibration signals synchronized with the target breathing pattern. In this case, the user does not need to immediately look at the wearable device.

Благодаря предлагаемому изобретению положительное воздействие на здоровье чувствительных групп пользователей, таких как, например, астматики и аллергики, может быть достигнуто, если рекомендовать оптимальные паттерны дыхания в зависимости от реальных условий окружающей среды. Например, избегание глубоких вдохов для людей с респираторными заболеваниями в периоды падения индекса качества воздуха (AQI). Дополнительно носимое устройство можно интегрировать с устройством, которое определяет химический состав вдыхаемого и выдыхаемого воздуха, такие устройства широко известны, например, https://metabolicratetest.com/, или интегрировать с устройством, способным вычислять соотношение между объемами выдыхаемого углекислого газа и объемом вдыхаемого кислорода.Thanks to the proposed invention, a positive effect on the health of sensitive groups of users, such as asthmatics and allergy sufferers, can be achieved by recommending optimal breathing patterns depending on the actual environmental conditions. For example, avoiding deep breaths for people with respiratory diseases during periods of falling air quality index (AQI). In addition, the wearable device can be integrated with a device that determines the chemical composition of inhaled and exhaled air, such devices are widely known, for example, https://metabolicratetest.com/, or integrated with a device capable of calculating the ratio between the volumes of exhaled carbon dioxide and the volume of inhaled oxygen.

По параметрам фактических паттернов дыхания пользователя возможна точная оценка общего расхода энергии (TEE) при физической активности пользователя. Значение TEE можно точно оценить, используя определенные параметры паттерна дыхания пользователя, а именно, используя значения дыхательного объема и частоты дыхания и возраст пользователя (Gilgen-Ammann, R., Koller, M., Huber, C. et al. Energy expenditure estimation from respiration variables. Sci Rep 7, 15995 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-16135-5).Based on the parameters of the actual breathing patterns of the user, it is possible to accurately estimate the total energy expenditure (TEE) during the user's physical activity. The TEE value can be accurately estimated using certain parameters of the user's breathing pattern, namely, using the values of tidal volume and respiratory rate and the age of the user (Gilgen-Ammann, R., Koller, M., Huber, C. et al. Energy expenditure estimation from respiration variables. Sci Rep 7, 15995 (2017). https://doi.org/10.1038/s41598-017-16135-5).

С помощью предлагаемого способа можно по фактическим паттернам дыхания пользователя обнаружить одышку, и дать рекомендации по снижению скорости передвижения или рекомендовать специальные дыхательные упражнения по компенсации одышки. Также по паттернам дыхания пользователя возможно давать рекомендации об отдыхе для восстановления дыхания пользователя, рекомендуя при этом дыхательные упражнения, восстанавливающие дыхание.The proposed method can be used to detect shortness of breath based on the actual breathing patterns of the user, and to provide recommendations for reducing the speed of movement or recommend special breathing exercises to compensate for shortness of breath. It is also possible to provide recommendations for rest based on the user's breathing patterns to restore the user's breathing, while recommending breathing exercises to restore breathing.

Существует диапазон безопасных параметров, за который пользователю не следует выходить во время выполнения физических тренировок. Например, известно, что не следует дышать слишком глубоко и резко, когда осуществляется большая нагрузка на мышцы груди. То есть, если определены паттерны дыхания, из которых следует, что пользователь дышит глубоко и/или резко, то может выдаваться предупреждение о том, что при таком паттерне дыхания не следует выполнять упражнения с чрезмерной нагрузкой на грудные мышцы.There is a range of safe parameters that the user should not exceed when performing physical exercises. For example, it is known that one should not breathe too deeply and sharply when there is a heavy load on the chest muscles. That is, if breathing patterns are detected that indicate that the user is breathing deeply and/or sharply, then a warning may be issued that with such a breathing pattern, one should not perform exercises with excessive load on the chest muscles.

При проведении медитации устройство может следить за глубиной дыхания и подавать рекомендации пользователю по усилению или уменьшению глубины дыхания.During meditation, the device can monitor the depth of breathing and provide recommendations to the user to increase or decrease the depth of breathing.

Если по паттернам дыхания обнаруживается нерегулярность сердечного ритма, что в большинстве случаев соответствует повышению уровня стресса пользователя, рекомендуются дыхательные упражнения, направленные на понижение уровня стресса.If the breathing patterns reveal irregular heart rhythms, which in most cases corresponds to an increase in the user's stress level, breathing exercises aimed at reducing stress levels are recommended.

Если пользователь курит, пользователю может даваться информация по соотношению вдоха и выдоха и о том, какое это влияние может оказывать на состояние пользователя.If the user smokes, the user may be given information on the inhalation/exhalation ratio and what effect this may have on the user's condition.

Авторами были проведены исследования дыхания, в которых приняли участие 81 человек. Исследования проводились, как в состоянии покоя, так и в процессе физической активности. Результаты исследований показаны на фиг. 7.The authors conducted breathing studies involving 81 people. The studies were conducted both at rest and during physical activity. The results of the studies are shown in Fig. 7.

На фиг. 7 (A) показан исходный сигнал PPG со слабо различимыми быстрыми осцилляциями сердечных сокращений. Вставка на фиг. 7 (A) показывает эти осцилляции в увеличенном масштабе. На фиг. 7 (B) показан респираторный сигнал, восстановленный из сигнала PPG, показанного на верхнем графике. На восстановленном респираторном сигнале можно видеть осцилляции на значительно более низкой частоте по сравнению с частотой сердцебиения, при этом на восстановленном респираторном сигнале сохранена форма отдельных осцилляций. На этом графике выделены две области, где один и тот же пользователь дышит по-разному: глубокое дыхание и поверхностное дыхание. График на Фиг. 7 (C) повторяет график на Фиг. 7 (B), но на нем отмечены точки экстремумов, отвечающие за максимумы и минимумы амплитуды респираторного сигнала. По точкам экстремумов можно вычислить частоту и глубину дыхания. На Фиг. 7 (C) показано, как расположены паттерны дыхания в пространстве частоты дыхания и глубины дыхания (фазовые портреты). Соответственно, звездочка отвечает за поверхностное дыхание, точка - за глубокое дыхание, крестик - за частое глубокое дыхание. В проведенном исследовании рекомендации пользователям не давались.Fig. 7(A) shows the original PPG signal with weakly distinguishable fast oscillations of heart rate. The inset in Fig. 7(A) shows these oscillations on an enlarged scale. Fig. 7(B) shows the respiratory signal reconstructed from the PPG signal shown in the upper graph. The reconstructed respiratory signal shows oscillations at a significantly lower frequency compared to the heart rate, while the reconstructed respiratory signal preserves the shape of individual oscillations. This graph highlights two areas where the same user breathes differently: deep breathing and shallow breathing. The graph in Fig. 7(C) repeats the graph in Fig. 7(B), but it has marked extreme points responsible for the maxima and minima of the respiratory signal amplitude. The extreme points can be used to calculate the frequency and depth of breathing. Fig. 7(C) shows how the breathing patterns are located in the space of respiratory rate and depth of breathing (phase portraits). Accordingly, the asterisk is responsible for shallow breathing, the dot is for deep breathing, and the cross is for frequent deep breathing. In the study, no recommendations were given to users.

Хотя изобретение описано в связи с некоторыми иллюстративными вариантами осуществления, следует понимать, что сущность изобретения не ограничивается этими конкретными вариантами осуществления. Напротив, предполагается, что сущность изобретения включает в себя все альтернативы, коррекции и эквиваленты, которые могут быть включены в сущность и объем формулы изобретения.Although the invention has been described in connection with certain illustrative embodiments, it should be understood that the spirit of the invention is not limited to these specific embodiments. On the contrary, it is intended that the spirit of the invention include all alternatives, modifications and equivalents that may be included within the spirit and scope of the claims.

Кроме того, изобретение сохраняет все эквиваленты заявляемого изобретения, даже если пункты формулы изобретения изменяются в процессе рассмотрения.In addition, the invention retains all equivalents of the claimed invention, even if the claims of the invention are changed during the examination process.

Список литературыReferences

1. E. Harbour, T. Stöggl, H. Schwameder and T. Finkenzeller, “Breath Tools: A Synthesis of Evidence-Based Breathing Strategies to Enhance Human Running”, Front. Physiol, v. 13, 2022|https://doi.org/10.3389/fphys.2022.813243 (https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2022.813243/full)1. E. Harbour, T. Stöggl, H. Schwameder and T. Finkenzeller, “Breath Tools: A Synthesis of Evidence-Based Breathing Strategies to Enhance Human Running,” Front. Physiol, v. 13, 2022|https://doi.org/10.3389/fphys.2022.813243 (https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2022.813243/full)

2. Бреслав И.С. Паттерны дыхания: Физиология, экстремальные состояния, патология - Л.: «Наука», 1984. - 206 с.2. Breslav I.S. Breathing patterns: Physiology, extreme conditions, pathology - L.: "Nauka", 1984. - 206 p.

3. Борщ, М.К. Паттерны внешнего дыхания в системе подготовки высококвалифицированных прыгунов в воду / М.К. Борщ, Н.А. Парамонова, Г.В. Попова // Состояние и перспективы технического обеспечения спортивной деятельности: сб. статей (материалы IV Междунар. науч.-техн. конф.), Минск, 15-16 февр. 2018 г. - Минск: БНТУ, 2018. - С. 82-88.3. Borsch, M.K. External respiration patterns in the training system of highly qualified divers / M.K. Borsch, N.A. Paramonova, G.V. Popova // State and prospects of technical support of sports activities: collection of articles (procedures of the IV International scientific and technical conf.), Minsk, February 15-16, 2018. - Minsk: BNTU, 2018. - P. 82-88.

4. D.J. Meredith, D.Clifton, P.Charlton, J.Brooks, C.W. Pugh and L.Tarassenko, “Photoplethysmographic derivation of respiratory rate: a review of relevant physiology”, Journal of Medical Engineering & Technology, 2012; 1-7, Early Online.4. D.J. Meredith, D. Clifton, P. Charlton, J. Brooks, C. W. Pugh and L.Tarassenko, “Photoplethysmographic derivation of respiratory rate: a review of relevant physiology”, Journal of Medical Engineering & Technology, 2012; 1-7, Early Online.

5. Mitali R., Sapna Prabhu, «A Novel Algorithm to Obtain Respiratory Rate from the PPG Signal», International Journal of Computer Applications 126(15):9-12, DOI:10.5120/ijca20159062635. Mitali R., Sapna Prabhu, “A Novel Algorithm to Obtain Respiratory Rate from the PPG Signal”, International Journal of Computer Applications 126(15):9-12, DOI:10.5120/ijca2015906263

6. R.S. Khandpur, Handbook of Biomedical Instrumentation, 2nd ed. New Delhi: Tata McGraw- Hill, 2010.6. R.S. Khandpur, Handbook of Biomedical Instrumentation, 2nd ed. New Delhi: Tata McGraw-Hill, 2010.

7. J.G. Webster, Medical Instrumentation: Application and Design, 3rd ed. New York: Wiley, 2007.7. J.G. Webster, Medical Instrumentation: Application and Design, 3rd ed. New York: Wiley, 2007.

8. J. Prinable, P.Jones, D. Boland, A.McEwan, Cindy Thamrin, «Derivation of Respiratory Metrics in Health and Asthma», Sensors 2020, 20(24), 7134; https://doi.org/10.3390/s202471348. J. Prinable, P. Jones, D. Boland, A. McEwan, Cindy Thamrin, “Derivation of Respiratory Metrics in Health and Asthma,” Sensors 2020, 20(24), 7134; https://doi.org/10.3390/s20247134

Claims (131)

1. Устройство контроля паттернов дыхания, содержащее: блок памяти, выполненный с возможностью хранения персональных данных пользователя, а также базы данных, хранящей оптимальные паттерны дыхания, рекомендуемые для каждого из видов физической активности на основании персональных данных пользователя,1. A breathing pattern monitoring device comprising: a memory unit capable of storing the user's personal data, as well as a database storing optimal breathing patterns recommended for each type of physical activity based on the user's personal data, фотоплетизмографический (PPG) сенсор, расположенный на теле пользователя, выполненный с возможностью получения сигнала PPG пользователя;a photoplethysmographic (PPG) sensor located on the user's body, configured to receive the user's PPG signal; датчик инерционного измерительного блока (IMU), расположенный на теле пользователя;an inertial measurement unit (IMU) sensor located on the user's body; блок разделения, выполненный с возможностью выделения из сигнала PPG:a separation unit configured to extract from the PPG signal: - респираторного сигнала и- respiratory signal and - сигнала частоты сердечных сокращений;- heart rate signal; блок распознавания вида физической активности, выполненный с возможностью распознавания вида физической активности пользователя по данным датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений;a physical activity type recognition unit configured to recognize the user's physical activity type based on IMU sensor data and heart rate signal data; блок классификации, выполненный с возможностью выделения фактического паттерна дыхания из респираторного сигнала, для этого блок классификации выполнен с возможностью:a classification unit configured to extract the actual breathing pattern from the respiratory signal, for which purpose the classification unit is configured to: а) произвольно задавать длительность временного окна,a) arbitrarily set the duration of the time window, б) рассчитывать среднее значение каждого параметра дыхания из респираторного сигнала на протяжении заданного временного окна;b) calculate the average value each respiratory parameter from the respiratory signal over a given time window; в) рассчитывать стандартное отклонение от среднего значения ;c) calculate the standard deviation from the average value ; г) сравнивать стандартное отклонение со средним значением ;d) compare standard deviation with an average value ; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то анализировать паттерн дыхания с заданной длительностью временного окна как фактический паттерн дыхания;If for at least 70% of the breathing parameters, then analyze the breathing pattern with a given time window duration as the actual breathing pattern; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то уменьшать длительность временного окна и осуществлять этапы б-г,If for at least 70% of the breathing parameters, then reduce the duration of the time window and perform steps b-d, если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то увеличивать длительность временного окна и осуществлять этапы б-г;If for at least 70% of the breathing parameters, then increase the duration of the time window and perform steps b-d; причем блок классификации выполнен с возможностью распознавания параметров фактического паттерна дыхания из фактического паттерна дыхания;wherein the classification unit is configured to recognize the parameters of the actual breathing pattern from the actual breathing pattern; блок сравнения, выполненный с возможностью сравнения параметров фактического паттерна дыхания с параметрами оптимального паттерна дыхания, рекомендуемого для распознанной физической активности, извлеченного из базы данных, а также выполненный с возможностью выявления отклонения параметров фактического паттерна дыхания от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности;a comparison unit configured to compare the parameters of the actual breathing pattern with the parameters of the optimal breathing pattern recommended for the recognized physical activity, retrieved from the database, and also configured to detect a deviation of the parameters of the actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database, recommended for the recognized physical activity; блок выдачи рекомендаций, выполненный с возможностью выдачи рекомендаций пользователю по технике дыхания на основании выявленных отклонений параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности.a recommendation issuing unit configured to issue recommendations to the user on breathing technique based on the detected deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity. 2. Устройство по п. 1, в котором блок разделения содержит спектральные фильтры.2. The device according to claim 1, wherein the separation unit contains spectral filters. 3. Устройство по п. 1, причем персональные данные содержат рост, вес, возраст, пол.3. The device according to paragraph 1, wherein the personal data contains height, weight, age, gender. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, причем параметрами дыхания являются: объем вдыхаемого воздуха, скорость вдоха, время выдоха, объем выдыхаемого воздуха, частота дыхания, время между выдохом и последующим вдохом, длительность цикла дыхания, глубина дыхания, длительность задержки дыхания.4. The device according to any one of paragraphs 1-3, wherein the breathing parameters are: volume of inhaled air, inhalation rate, exhalation time, volume of exhaled air, respiratory rate, time between exhalation and subsequent inhalation, duration of the breathing cycle, depth of breathing, duration of breath holding. 5. Устройство по любому из пп. 1-4, причем рекомендации отображаются на экране носимого устройства пользователя.5. The device according to any one of paragraphs 1-4, wherein the recommendations are displayed on the screen of the user's wearable device. 6. Способ контроля паттернов дыхания посредством устройства по п. 1, содержащий этапы, на которых:6. A method for monitoring breathing patterns using a device according to claim 1, comprising the steps of: вносят персональные данные пользователя в блок памяти;enter the user's personal data into the memory block; получают сигнал PPG (фотоплетизмограмму) пользователя от фотоплетизмографического (PPG) сенсора;receive the user's PPG (photoplethysmogram) signal from the photoplethysmographic (PPG) sensor; получают данные от датчика инерционного измерительного блока (IMU);receive data from the inertial measurement unit (IMU) sensor; выделяют из сигнала PPG респираторный сигнал и сигнал частоты сердечных сокращений в блоке разделения;the respiratory signal and the heart rate signal are separated from the PPG signal in a separation unit; распознают вид физической активности пользователя по данным от датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений в блоке распознавания вида физической активности;recognize the type of physical activity of the user based on data from the IMU sensor and heart rate signal data in the physical activity type recognition unit; выделяют фактический паттерн дыхания из респираторного сигнала и параметры фактического паттерна дыхания в блоке классификации, для этого:The actual breathing pattern is extracted from the respiratory signal and the parameters of the actual breathing pattern are extracted in the classification block, for this: а) произвольно задают длительность временного окна,a) arbitrarily set the duration of the time window, б) рассчитывают среднее значение каждого параметра дыхания из респираторного сигнала на протяжении заданного временного окна;b) calculate the average value each respiratory parameter from the respiratory signal over a given time window; в) рассчитывают стандартное отклонение от среднего значения ;c) calculate the standard deviation from the average value ; г) сравнивают стандартное отклонение со средним значением ;d) compare the standard deviation with an average value ; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то анализируют паттерн дыхания с заданной длительностью временного окна как фактический паттерн дыхания;If for at least 70% of the breathing parameters, the breathing pattern with a given time window duration is analyzed as the actual breathing pattern; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то уменьшают длительность временного окна и осуществлять этапы б-г,If for at least 70% of the breathing parameters, then reduce the duration of the time window and perform steps b-d, если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то увеличивают длительность временного окна и осуществляют этапы б-г;If for at least 70% of the breathing parameters, then increase the duration of the time window and perform steps b-d; д) распознают параметры дыхания из фактического паттерна дыхания;d) recognize breathing parameters from the actual breathing pattern; сравнивают в блоке сравнения параметры фактического паттерна дыхания с параметрами оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности;compare in the comparison block the parameters of the actual breathing pattern with the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity; выявляют в блоке сравнения отклонения параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности;identify in the comparison block deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity; выдают, посредством блока выдачи, рекомендации пользователю по технике дыхания на основании выявленных отклонений параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности.issue, via the issuing unit, recommendations to the user on breathing technique based on the detected deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity. 7. Способ по п. 6, в котором после внесения персональных данных дополнительно осуществляют калибровочное измерение для выявления патологии дыхания, при этом в случае выявления патологии дыхания пользователь получает рекомендацию обратиться к врачу для составления индивидуальной базы данных.7. The method according to paragraph 6, in which, after entering personal data, a calibration measurement is additionally carried out to identify respiratory pathology, and in the event that respiratory pathology is identified, the user receives a recommendation to consult a doctor to compile an individual database. 8. Устройство контроля паттернов дыхания, содержащее:8. A breathing pattern monitoring device comprising: блок памяти, выполненный с возможностью хранения персональных данных пользователя, и обученной нейронной сети;a memory unit designed to store the user's personal data and a trained neural network; фотоплетизмографический (PPG) сенсор, выполненный с возможностью расположения на теле пользователя, и получения сигнала PPG пользователя;a photoplethysmographic (PPG) sensor configured to be positioned on the user's body and to receive the user's PPG signal; датчик инерционного измерительного блока (IMU), выполненный с возможностью расположения на теле пользователя;an inertial measurement unit (IMU) sensor configured to be positioned on the user's body; блок разделения, выполненный с возможностью выделения из сигнала PPG:a separation unit configured to extract from the PPG signal: - респираторного сигнала и- respiratory signal and - сигнала частоты сердечных сокращений;- heart rate signal; блок распознавания вида физической активности, выполненный с возможностью распознавания вида физической активности пользователя по данным датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений;a physical activity type recognition unit configured to recognize the user's physical activity type based on IMU sensor data and heart rate signal data; блок классификации, выполненный с возможностью выделения фактического паттерна дыхания из респираторного сигнала, для этого блок классификации выполнен с возможностью:a classification unit configured to extract the actual breathing pattern from the respiratory signal, for which purpose the classification unit is configured to: а) произвольно задавать длительность временного окна,a) arbitrarily set the duration of the time window, б) рассчитывать среднее значение каждого параметра дыхания из респираторного сигнала на протяжении заданного временного окна;b) calculate the average value each respiratory parameter from the respiratory signal over a given time window; в) рассчитывать стандартное отклонение от среднего значения ;c) calculate the standard deviation from the average value ; г) сравнивать стандартное отклонение со средним значением ;d) compare standard deviation with an average value ; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то анализировать паттерн дыхания с заданной длительностью временного окна как фактический паттерн дыхания;If for at least 70% of the breathing parameters, then analyze the breathing pattern with a given time window duration as the actual breathing pattern; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то уменьшать длительность временного окна и осуществлять этапы б-г,If for at least 70% of the breathing parameters, then reduce the duration of the time window and perform steps b-d, если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то увеличивать длительность временного окна и осуществлять этапы б-г;If for at least 70% of the breathing parameters, then increase the duration of the time window and perform steps b-d; обученную нейронную сеть, выполненную с возможностью:a trained neural network capable of: - определения оптимального паттерна дыхания на основе персональных данных пользователя и вида физической активности пользователя,- determining the optimal breathing pattern based on the user's personal data and the user's type of physical activity, - сравнения параметров фактического паттерна дыхания пользователя с параметрами упомянутого оптимального паттерна дыхания;- comparison of the parameters of the user's actual breathing pattern with the parameters of the said optimal breathing pattern; - получения оптимального респираторного сигнала на основании сравнения;- obtaining an optimal respiratory signal based on comparison; блок выдачи рекомендаций, выполненный с возможностью выдачи рекомендаций пользователю по технике дыхания на основании оптимального респираторного сигнала, выданного нейронной сетью.a recommendation issuing unit configured to issue recommendations to the user on breathing technique based on the optimal respiratory signal issued by the neural network. 9. Устройство по п. 8, причем персональные данные включают в себя рост, вес, возраст, пол.9. The device according to paragraph 8, wherein the personal data includes height, weight, age, gender. 10. Устройство по любому из пп. 8, 9, в котором нейронная сеть дополнительно выполнена с возможностью10. The device according to any one of paragraphs. 8, 9, in which the neural network is additionally configured with the possibility определять является ли пользователь практически здоровым человеком или имеет паттерн дыхания, относящийся к патологическому паттерну дыхания,determine whether the user is a generally healthy person or has a breathing pattern that is related to a pathological breathing pattern, если определено, что паттерн дыхания относится к патологическому паттерну дыхания, блок выдачи выдает рекомендацию обратится к врачу для составления индивидуальной базы оптимальных паттернов дыхания, соответствующих различным видам физической активности.If it is determined that the breathing pattern is related to a pathological breathing pattern, the issuing unit issues a recommendation to consult a doctor to compile an individual database of optimal breathing patterns corresponding to various types of physical activity. 11. Способ контроля паттернов дыхания посредством устройства по п. 8, содержащий этапы, на которых:11. A method for monitoring breathing patterns using a device according to claim 8, comprising the steps of: вносят персональные данные пользователя в блок памяти;enter the user's personal data into the memory block; получают сигнал PPG (фотоплетизмограмму) пользователя от фотоплетизмографического (PPG) сенсора;receive the user's PPG (photoplethysmogram) signal from the photoplethysmographic (PPG) sensor; получают данные от датчика инерционного измерительного блока (IMU);receive data from the inertial measurement unit (IMU) sensor; посредством блока разделения:via the separation block: выделяют респираторный сигнал из сигнала PPG,extract the respiratory signal from the PPG signal, выделяют сигнал частоты сердечных сокращений; распознают вид физической активности пользователя по даннымextract the heart rate signal; recognize the type of physical activity of the user based on the data датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений посредством блока распознавания вида физической активности;IMU sensor and heart rate signal data via the physical activity recognition unit; выделяют фактический паттерн дыхания из респираторного сигнала посредством блока классификации, для этого:extract the actual breathing pattern from the respiratory signal using a classification block, for this: а) произвольно задают длительность временного окна,a) arbitrarily set the duration of the time window, б) рассчитывают среднее значение каждого параметра дыхания из респираторного сигнала на протяжении заданного временного окна;b) calculate the average value each respiratory parameter from the respiratory signal over a given time window; в) рассчитывают стандартное отклонение от среднего значения ;c) calculate the standard deviation from the average value ; г) сравнивают стандартное отклонение со средним значением ;d) compare the standard deviation with an average value ; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то анализируют паттерн дыхания с заданной длительностью временного окна как фактический паттерн дыхания;If for at least 70% of the breathing parameters, the breathing pattern with a given time window duration is analyzed as the actual breathing pattern; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то уменьшают длительность временного окна и осуществлять этапы б-г,If for at least 70% of the breathing parameters, then reduce the duration of the time window and perform steps b-d, если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то увеличивают длительность временного окна и осуществляют этапы б-г;If for at least 70% of the breathing parameters, then increase the duration of the time window and perform steps b-d; подают на вход обученной нейронной сети персональные данные пользователя, упомянутый респираторный сигнал, фактический паттерн дыхания, вид физической активности пользователя,the user's personal data, the mentioned respiratory signal, the actual breathing pattern, the user's type of physical activity are fed to the input of the trained neural network, посредством обученной нейронной сети:using a trained neural network: определяют оптимальный паттерн дыхания на основе персональных данных пользователя и вида физической активности пользователя, determine the optimal breathing pattern based on the user's personal data and the user's type of physical activity, сравнивают параметры фактического паттерна дыхания пользователя с параметрами упомянутого оптимального паттерна дыхания,compare the parameters of the actual breathing pattern of the user with the parameters of the said optimal breathing pattern, получают оптимальный респираторный сигнал на основании сравнения;obtain the optimal respiratory signal based on the comparison; выдают рекомендации пользователю по технике дыхания, посредством блока выдачи рекомендаций, на основании оптимального респираторного сигнала, выданного нейронной сетью.provide recommendations to the user on breathing technique, via a recommendation output unit, based on the optimal respiratory signal generated by the neural network. 12. Носимое устройство, включающее в себя устройство по п. 1, выполненное с возможностью осуществлять способ контроля паттернов дыхания, содержащий этапы, на которых:12. A wearable device comprising a device according to claim 1, configured to implement a method for monitoring breathing patterns, comprising the steps of: вносят персональные данные пользователя в блок памяти;enter the user's personal data into the memory block; получают сигнал PPG (фотоплетизмограмму) пользователя от фотоплетизмографического (PPG) сенсора;receive the user's PPG (photoplethysmogram) signal from the photoplethysmographic (PPG) sensor; получают данные от датчика инерционного измерительного блока (IMU);receive data from the inertial measurement unit (IMU) sensor; выделяют из сигнала PPG респираторный сигнал и сигнал частоты сердечных сокращений в блоке разделения;the respiratory signal and the heart rate signal are separated from the PPG signal in a separation unit; распознают вид физической активности пользователя по данным от датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений в блоке распознавания вида физической активности;recognize the type of physical activity of the user based on data from the IMU sensor and heart rate signal data in the physical activity type recognition unit; выделяют фактический паттерн дыхания из респираторного сигнала и параметры фактического паттерна дыхания в блоке классификации, для этого:The actual breathing pattern is extracted from the respiratory signal and the parameters of the actual breathing pattern are extracted in the classification block, for this: а) произвольно задают длительность временного окна,a) arbitrarily set the duration of the time window, б) рассчитывают среднее значение каждого параметра дыхания из респираторного сигнала на протяжении заданного временного окна;b) calculate the average value each respiratory parameter from the respiratory signal over a given time window; в) рассчитывают стандартное отклонение от среднего значения ;c) calculate the standard deviation from the average value ; г) сравнивают стандартное отклонение со средним значением ;d) compare the standard deviation with an average value ; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то анализируют паттерн дыхания с заданной длительностью временного окна как фактический паттерн дыхания;If for at least 70% of the breathing parameters, the breathing pattern with a given time window duration is analyzed as the actual breathing pattern; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания,If for at least 70% of respiratory parameters, то уменьшают длительность временного окна и осуществлять этапы б-г,then reduce the duration of the time window and carry out stages b-g, если для по меньшей мере 70% параметров дыхания, то увеличивают длительность временного окна и осуществляют этапы б-г;If for at least 70% of the breathing parameters, then increase the duration of the time window and perform steps b-d; д) распознают параметры дыхания из фактического паттерна дыхания;d) recognize breathing parameters from the actual breathing pattern; сравнивают в блоке сравнения параметры фактического паттерна дыхания с параметрами оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности;compare in the comparison block the parameters of the actual breathing pattern with the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity; выявляют в блоке сравнения отклонения параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности;identify in the comparison block deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity; выдают, посредством блока выдачи, рекомендации пользователю по технике дыхания на основании выявленных отклонений параметров фактического паттерна дыхания пользователя от параметров оптимального паттерна дыхания из базы данных, рекомендуемого для распознанной физической активности.issue, via the issuing unit, recommendations to the user on breathing technique based on the detected deviations of the parameters of the user's actual breathing pattern from the parameters of the optimal breathing pattern from the database recommended for the recognized physical activity. 13. Носимое устройство, включающее в себя устройство по п. 8, выполненное с возможностью осуществлять способ контроля паттернов дыхания, содержащий этапы, на которых:13. A wearable device comprising a device according to claim 8, configured to implement a method for monitoring breathing patterns, comprising the steps of: вносят персональные данные пользователя в блок памяти;enter the user's personal data into the memory block; получают сигнал PPG (фотоплетизмограмму) пользователя от фотоплетизмографического (PPG) сенсора;receive the user's PPG (photoplethysmogram) signal from the photoplethysmographic (PPG) sensor; получают данные от датчика инерционного измерительного блока (IMU);receive data from the inertial measurement unit (IMU) sensor; посредством блока разделения:via the separation block: выделяют респираторный сигнал из сигнала PPG,extract the respiratory signal from the PPG signal, выделяют сигнал частоты сердечных сокращений; распознают вид физической активности пользователя по данным датчика IMU и данным сигнала частоты сердечных сокращений посредством блока распознавания вида физической активности;extracting a heart rate signal; recognizing the type of physical activity of the user based on the IMU sensor data and the heart rate signal data by means of a physical activity type recognition unit; выделяют фактический паттерн дыхания из респираторного сигнала посредством блока классификации, для этого:extract the actual breathing pattern from the respiratory signal using a classification block, for this: а) произвольно задают длительность временного окна,a) arbitrarily set the duration of the time window, б) рассчитывают среднее значение каждого параметра дыхания из респираторного сигнала на протяжении заданного временного окна;b) calculate the average value each respiratory parameter from the respiratory signal over a given time window; в) рассчитывают стандартное отклонение от среднего значения ;c) calculate the standard deviation from the average value ; г) сравнивают стандартное отклонение со средним значением ;d) compare the standard deviation with an average value ; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания,If for at least 70% of respiratory parameters, то анализируют паттерн дыхания с заданной длительностью временного окна как фактический паттерн дыхания;then the breathing pattern with a given time window duration is analyzed as the actual breathing pattern; если для по меньшей мере 70% параметров дыхания,If for at least 70% of respiratory parameters, то уменьшают длительность временного окна и осуществлять этапы б-г,then reduce the duration of the time window and carry out stages b-g, если для по меньшей мере 70% параметров дыхания,If for at least 70% of respiratory parameters, то увеличивают длительность временного окна и осуществляют этапы б-г;then increase the duration of the time window and carry out stages b-g; подают на вход обученной нейронной сети персональные данные пользователя, упомянутый респираторный сигнал, фактический паттерн дыхания, вид физической активности пользователя,the user's personal data, the mentioned respiratory signal, the actual breathing pattern, the user's type of physical activity are fed to the input of the trained neural network, посредством обученной нейронной сети:using a trained neural network: определяют оптимальный паттерн дыхания на основе персональных данных пользователя и вида физической активности пользователя,determine the optimal breathing pattern based on the user's personal data and the user's type of physical activity, сравнивают параметры фактического паттерна дыхания пользователя с параметрами упомянутого оптимального паттерна дыхания,compare the parameters of the actual breathing pattern of the user with the parameters of the said optimal breathing pattern, получают оптимальный респираторный сигнал на основании сравнения;obtain the optimal respiratory signal based on the comparison; выдают рекомендации пользователю по технике дыхания, посредством блока выдачи рекомендаций, на основании оптимального респираторного сигнала, выданного нейронной сетью.provide recommendations to the user on breathing technique, via a recommendation output unit, based on the optimal respiratory signal generated by the neural network.
RU2023125468A 2023-10-04 Breathing pattern monitoring device (embodiments), method of operating breathing pattern monitoring device (embodiments), wearable device including breathing pattern monitoring device RU2828154C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2828154C1 true RU2828154C1 (en) 2024-10-07

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002301048A (en) * 2001-04-04 2002-10-15 Teijin Ltd Domestic medical equipment capable of informing respiration pattern and domestic medical treatment system thereof
RU2677003C2 (en) * 2013-03-15 2019-01-14 Конинклейке Филипс Н.В. Device and method for determining respiration volume signal from image data
US11317824B1 (en) * 2012-12-19 2022-05-03 Alert Core, Inc. System and method for identifying breathing patterns during running and other applications
CN114642418A (en) * 2020-12-17 2022-06-21 南京理工大学 Breathing mode classification method and system based on sparse representation and convolutional neural network

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002301048A (en) * 2001-04-04 2002-10-15 Teijin Ltd Domestic medical equipment capable of informing respiration pattern and domestic medical treatment system thereof
US11317824B1 (en) * 2012-12-19 2022-05-03 Alert Core, Inc. System and method for identifying breathing patterns during running and other applications
RU2677003C2 (en) * 2013-03-15 2019-01-14 Конинклейке Филипс Н.В. Device and method for determining respiration volume signal from image data
CN114642418A (en) * 2020-12-17 2022-06-21 南京理工大学 Breathing mode classification method and system based on sparse representation and convolutional neural network

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20230277800A1 (en) Sleep performance system and method of use
US9265430B2 (en) Method, system and software product for the measurement of heart rate variability
KR101656611B1 (en) Method for obtaining oxygen desaturation index using unconstrained measurement of bio-signals
CN108882870B (en) Biological information analysis device, system, and program
ES2802130T3 (en) System and method for determining a person's sleep and sleep phases
CN105496377B (en) Heart rate variability biofeedback exercise system method and equipment
JP4753881B2 (en) Apparatus and signal processing method for monitoring, detecting and classifying sleep disordered breathing derived from electrocardiogram
JP4410234B2 (en) Method and apparatus for promoting physiological coherence and autonomic balance
US7460901B2 (en) Procedure for deriving reliable information on respiratory activity from heart period measurement
US20150057512A1 (en) Wearable heart failure monitor patch
JP2018524080A (en) Apparatus and method for monitoring the physiological state of a subject
US20250040830A1 (en) System and method for monitoring a physiological state of a user and providing at least one personalized breathing exercise to the user, and virtual monitoring program for executing the method
CN113143271A (en) Pregnant and lying-in woman mental health evaluating and deep breathing emotion conditioning system
CN113712519A (en) Cardiopulmonary respiration test and personalized deep respiration and oxygen therapy system and equipment
GB2469547A (en) Measurement of heart rate variability
Johnston Development of a signal processing library for extraction of SpO2, HR, HRV, and RR from photoplethysmographic waveforms
JP7361784B2 (en) Behavioral task evaluation system and behavioral task evaluation method
RU2828154C1 (en) Breathing pattern monitoring device (embodiments), method of operating breathing pattern monitoring device (embodiments), wearable device including breathing pattern monitoring device
CN114099893A (en) Mental health evaluating and deep respiration conditioning system
WO2017180617A1 (en) Psychological acute stress measurement using a wireless sensor
Thukkaram et al. Identification of effective indicators of parasympathetic activity using deep breathing technique on corporate employees
Choi et al. Ambulatory stress monitoring with minimally-invasive wearable sensors
Fisher Beyond stationary data collection: investigation of a proposed method for determining heart rate variability resonance frequency
Shukla A simplified holistic model of pulmonary oxygen transfer and its application in assessing exercise ability of pulmonary patients
Holonec et al. Monitoring of Obstructive Sleep Apnea Using Virtual Instrumentation Techniques